JP3986962B2 - Electrochemical device with retractable electrode - Google Patents

Electrochemical device with retractable electrode Download PDF

Info

Publication number
JP3986962B2
JP3986962B2 JP2002550142A JP2002550142A JP3986962B2 JP 3986962 B2 JP3986962 B2 JP 3986962B2 JP 2002550142 A JP2002550142 A JP 2002550142A JP 2002550142 A JP2002550142 A JP 2002550142A JP 3986962 B2 JP3986962 B2 JP 3986962B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cell
electrolyte
electrode
anode electrode
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2002550142A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004525255A5 (en
JP2004525255A (en
Inventor
シー. アンドリューズ、クレイグ
マーフィー、オリバー
ボイド、ブライアン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lyntech International ltd
Original Assignee
Lyntech International ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lyntech International ltd filed Critical Lyntech International ltd
Publication of JP2004525255A publication Critical patent/JP2004525255A/en
Publication of JP2004525255A5 publication Critical patent/JP2004525255A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3986962B2 publication Critical patent/JP3986962B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/16Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using chemical substances
    • A61L2/18Liquid substances or solutions comprising solids or dissolved gases
    • A61L2/183Ozone dissolved in a liquid
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/16Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using chemical substances
    • A61L2/20Gaseous substances, e.g. vapours
    • A61L2/202Ozone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/10Preparation of ozone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/281Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using inorganic sorbents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/283Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using coal, charred products, or inorganic mixtures containing them
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109Electrodes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/467Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C02F1/4672Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/78Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation with ozone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F9/00Multistage treatment of water, waste water or sewage
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/13Ozone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/30Cells comprising movable electrodes, e.g. rotary electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/38Construction or manufacture
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/42Treatment of water, waste water, or sewage by ion-exchange
    • C02F2001/427Treatment of water, waste water, or sewage by ion-exchange using mixed beds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109Electrodes
    • C02F2001/46123Movable electrodes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109Electrodes
    • C02F2001/46133Electrodes characterised by the material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109Electrodes
    • C02F2001/46133Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C02F2001/46142Catalytic coating
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109Electrodes
    • C02F2001/46152Electrodes characterised by the shape or form
    • C02F2001/46157Perforated or foraminous electrodes
    • C02F2001/46161Porous electrodes
    • C02F2001/46166Gas diffusion electrodes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/4618Devices therefor; Their operating or servicing for producing "ionised" acidic or basic water
    • C02F2001/46185Devices therefor; Their operating or servicing for producing "ionised" acidic or basic water only anodic or acidic water, e.g. for oxidizing or sterilizing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00Nature of the contaminant
    • C02F2101/10Inorganic compounds
    • C02F2101/20Heavy metals or heavy metal compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/46195Cells containing solid electrolyte
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/78Details relating to ozone treatment devices
    • C02F2201/782Ozone generators
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/78Details relating to ozone treatment devices
    • C02F2201/784Diffusers or nozzles for ozonation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00Specific treatment goals
    • C02F2303/04Disinfection
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

Electrochemical apparatus and methods that support periodic, non-steady state, or discontinuous operation without suffering degradation of materials or loss of efficiency. The invention provides a means for positioning one or more electrodes into contact with electrolyte and means for retracting the one or more electrodes out of contact with the electrolyte. The means for positioning and means for retracting may be the same device or different devices. The means for positioning and means for retracting may be designed to provide automatic, passive, or fail-safe retraction of the electrode upon a given standby condition, such as a voltage of less than one Volt being applied between the first and second electrodes, expiration of a time period, an ozone concentration greater than a set point ozone concentration, contact pressure of less than 5 psig, and combinations thereof.

Description

本発明は、特に電気触媒層またはコーティングにおいて、長期的効率損失や材料の劣化を生ずることなく周期的動作を可能とする電気化学装置に関する。   The present invention relates to an electrochemical device that enables periodic operation without causing long-term efficiency loss or material degradation, particularly in an electrocatalytic layer or coating.

オゾンは、強力な酸化種であることが知られている。オゾンを発生しオゾンを使用するために多数の方法および装置が用いられてきた。しかしながら、オゾン使用のための潜在的な用途の多くでは、連続的なオゾン・ガス流やオゾン化水流を必要としないか、または利用することができない。生憎、不連続モード、非定常状態モード、またはバッチモードの動作におけるオゾンの発生や使用は、種々の理由のために問題となる可能性がある。第1に、オゾンは、反応性が高く分解が速いため、利用の直前にオゾンを発生しなければならない。このため、オゾン発生能力が、ピーク消費速度に密接に一致していなければならない。第2に、高濃度オゾンを発生する際、電気化学的プロセスが好まれ、二酸化鉛陽極電気触媒を用いることが最も好ましい。   Ozone is known to be a powerful oxidizing species. A number of methods and devices have been used to generate and use ozone. However, many potential applications for ozone use do not require or utilize a continuous ozone gas stream or ozonated water stream. The generation and use of ozone in raw, discontinuous, unsteady mode, or batch mode operation can be problematic for a variety of reasons. First, because ozone is highly reactive and decomposes quickly, ozone must be generated immediately before use. For this reason, the ozone generation capacity must closely match the peak consumption rate. Second, when generating high concentrations of ozone, an electrochemical process is preferred, and it is most preferred to use a lead dioxide anode electrocatalyst.

二酸化鉛(PbO)は一般に水性酸溶液中では不安定であるが、図1における25℃の鉛−水に対する電位−pH平衡図では、電気化学装置におけるPbO正電極上に、標準的な水素電極(SHE)に対して高い正電極電位を維持することによって、二酸化鉛を安定化できることが示されている。したがって、酸性溶液における二酸化鉛の不安定性は、連続電気化学的プロセスにおいては容易に回避される。何故なら、正電極と負電極との間に、比較的高い電位が連続的に維持されるからである。電気化学的プロセスが周期的にのみ必要な場合、正電極と負電極と間に供給する電位を下げて、電気化学的プロセスの速度を低下させることが可能であり、電極間の電流の細流を維持することによって、二酸化鉛を安定化する。生憎、連続的な電気化学的プロセスおよび連続的な電位は、住宅用製品即ち消費者用製品のような多くの用途では実用的ではない。何故なら、停電を生じたり、バックアップ・バッテリが消耗していたりすることがあるためである。更に別の可能な解決策は、プラチナ金属を陽極電気触媒として用いることであるが、プラチナを用いることの不都合として、オゾンの収率低下と高コスト化があげられる。 Although lead dioxide (PbO 2 ) is generally unstable in aqueous acid solutions, the potential-pH equilibrium diagram for 25 ° C. lead-water in FIG. 1 shows a standard on the PbO 2 positive electrode in an electrochemical device. It has been shown that lead dioxide can be stabilized by maintaining a high positive electrode potential relative to the hydrogen electrode (SHE). Thus, instability of lead dioxide in acidic solution is easily avoided in continuous electrochemical processes. This is because a relatively high potential is continuously maintained between the positive electrode and the negative electrode. If the electrochemical process is only required periodically, the potential supplied between the positive and negative electrodes can be lowered to reduce the rate of the electrochemical process and reduce the current trickle between the electrodes. By maintaining it, lead dioxide is stabilized. Bad, continuous electrochemical processes and continuous potential are impractical for many applications such as residential or consumer products. This is because a power failure may occur or the backup battery may be exhausted. Yet another possible solution is to use platinum metal as the anode electrocatalyst, but the disadvantages of using platinum include lower ozone yields and higher costs.

あらゆる電気化学セルの動作の中心は、電子を生成または消費する酸化還元反応の発生である。これらの反応は、電極/溶液界面において起こり、電極は優れた導電体でなければならない。動作において、セルが外部負荷または外部電圧源に接続され、外部回路を介して陽極および陰極間において、電子が電荷を移転させる。セルを介して電気回路を完成させるためには、内部電荷移動のために、追加の機構が存在しなければならない。内部電荷移動は、1つ以上の電解質によって得られ、イオン伝導(ionic conduction)によって電荷移動に対応する。セルの内部短絡を防止するために、電解質は劣った導電体でなければばらない。   The heart of every electrochemical cell's operation is the generation of redox reactions that produce or consume electrons. These reactions occur at the electrode / solution interface and the electrode must be a good conductor. In operation, the cell is connected to an external load or external voltage source, and electrons transfer charge between the anode and cathode via an external circuit. In order to complete the electrical circuit through the cell, there must be an additional mechanism for internal charge transfer. Internal charge transfer is obtained by one or more electrolytes and corresponds to charge transfer by ionic conduction. In order to prevent internal short circuit of the cell, the electrolyte must be a poor conductor.

最も単純な電気化学セルは、少なくとも2つの電極と、1つ以上の電解質とによって構成される。酸化反応を生成する電子が発生する電極は、陽極である。外部回路における電子流の方向は、常に陽極から陰極に向かう。   The simplest electrochemical cell is composed of at least two electrodes and one or more electrolytes. The electrode from which the electrons that generate the oxidation reaction are generated is the anode. The direction of electron flow in the external circuit is always from the anode to the cathode.

付加的なAC/DC電気エネルギによって化学反応が強制される電気化学セルのことを、電解セルと呼ぶ。電気化学セルは、燃料を供給されてDC電流の発生を行う燃料電池と、亜鉛/二酸化マンガンのようなバッテリも含む。   An electrochemical cell in which a chemical reaction is forced by additional AC / DC electrical energy is called an electrolysis cell. Electrochemical cells also include fuel cells that are supplied with fuel to generate DC current and batteries such as zinc / manganese dioxide.

電解質は、液体電解質(水溶性または有機溶剤、および溶解した塩、酸または塩基)で
あってもよいし、ポリマ系イオン交換膜のような固体電解質であってもよい。前記ポリマ系イオン交換膜は、陽イオン交換膜(プロトン交換膜、PEM等)または陰イオン交換膜のいずれかとすることができる。また、膜は、O−2イオン伝導体であるイットリウム安定ジルコニアのような、セラミック系膜とするとよい。
The electrolyte may be a liquid electrolyte (water-soluble or organic solvent, and dissolved salt, acid or base), or a solid electrolyte such as a polymer-based ion exchange membrane. The polymer ion exchange membrane can be either a cation exchange membrane (proton exchange membrane, PEM, etc.) or an anion exchange membrane. The film may be a ceramic film such as yttrium stable zirconia which is an O- 2 ion conductor.

しかしながら、オゾン(O)は、電解プロセスによって生成することもでき、この場合電解質に浸漬された電極間に電流(通常D.C.)が印加される。電解質は水を含み、水はそれぞれの元素種OおよびHに分解する。適当な条件の下では、酸素もO種として発生する。陽極における酸素およびオゾンの発生は、次のように表すことができる。 However, ozone (O 3 ) can also be generated by an electrolysis process, in which a current (usually DC) is applied between electrodes immersed in the electrolyte. The electrolyte contains water, which decomposes into the respective elemental species O 2 and H 2 . Under appropriate conditions, oxygen is also generated as O 3 species. Oxygen and ozone generation at the anode can be expressed as follows.

2HO → O + 4H + 4e
3HO → O + 6H + 6e
1.57ボルトよりも高い陽極電位のような、高過剰電位の利用、およびある種の電気触媒材料は、酸素の発生を犠牲にして、オゾンの形成を強化する。水酸化反応によってプロトンおよび電子が生成され、これらは陰極において再結合する。電子は、外部電子回路を介して陰極に導かれる。プロトンは、プロトン交換膜(PEM)のような固体電解質を介して搬送される。
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e
3H 2 O → O 3 + 6H + + 6e
Utilization of high excess potentials, such as anode potentials higher than 1.57 volts, and certain electrocatalytic materials enhance ozone formation at the expense of oxygen generation. The hydroxylation reaction generates protons and electrons that recombine at the cathode. The electrons are guided to the cathode through an external electronic circuit. Protons are transported through a solid electrolyte such as a proton exchange membrane (PEM).

陰極反応は、水素形成を用い得る。   The cathodic reaction can use hydrogen formation.

2H+ + 2e → H
または、以下のような酸素の還元を伴う。
2H + + 2e → H 2
Or, it involves the reduction of oxygen as follows.

+ 4H +4e → 2H
+ 2H +2e → H
酸素還元反応が効率的に行われるためには、専用化されたガス拡散電極が必要となる。陰極において酸素が存在すると、水素形成反応が抑制される。更に、酸素反応は、水素反応よりも熱力学的に好ましい。このように、酸素の水または過酸化水素への還元によって、全体的なセル電圧を、水素を発生するために必要とされるよりも低下させる。
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
O 2 + 2H + 2e → H 2 O 2
In order for the oxygen reduction reaction to be performed efficiently, a dedicated gas diffusion electrode is required. The presence of oxygen at the cathode suppresses the hydrogen formation reaction. Furthermore, the oxygen reaction is thermodynamically preferred over the hydrogen reaction. Thus, the reduction of oxygen to water or hydrogen peroxide reduces the overall cell voltage than is required to generate hydrogen.

したがって、電気触媒を含む材料の劣化や効率低下を招くことなく、周期的、非定常状態、または非連続な稼動に対応する電気化学セルおよび方法が求められている。これらの装置および方法は、電源のステータスを検証するためにオペレータが注意する必要がなければ望ましい。更に、これらの装置は、種々の動作および待機期間ならびに周波数において、大量の繰り返し使用に対応すれば望ましい。   Accordingly, there is a need for an electrochemical cell and method that accommodates periodic, non-steady state, or discontinuous operation without incurring degradation of materials including electrocatalysts or reduced efficiency. These devices and methods are desirable if the operator does not need to be careful to verify the status of the power supply. Furthermore, it is desirable that these devices be capable of a large amount of repeated use in various operations and standby periods and frequencies.

本発明は、陰極電極と、陽極電極と、陽極電極と陰極電極との間に配置された、イオン交換膜などの酸性電解質と、陽極電極と陰極電極との間に電圧を印加する電源とを備えるか、または含む電気化学セルを提供する。前記電気化学セルは、陽極電極が、酸性電解質に面する二酸化鉛電気触媒の層または電圧を印加しない電解質が存在すると不安定となるかまたは不活性化されるその他の電気触媒と、1つ以上の所定の待機状態に応答して陽極電極を、二酸化鉛電気触媒が電解質と接触する初期位置から、二酸化鉛電気触媒が電解質から離間する後退位置に後退させる後退機構とを有することを特徴とする。任意選択的に、後退機構は、ばね、重力、油圧アキュムレータ、空気アキュムレータ、またはそれらの組み合わせのような受動的な後退機構である。好ましくは、二酸化鉛電気触媒は、β−二酸化鉛、α−二酸化鉛、またはそれらの組み合わせである。一実施形態では、酸性電解質はプロトン交換膜である。別の実施形態では、酸性電解質は、溶解無機酸、溶解有機酸、
またはそれらの混合物の水溶液である。
The present invention comprises a cathode electrode, an anode electrode, an acidic electrolyte such as an ion exchange membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode, and a power source for applying a voltage between the anode electrode and the cathode electrode. An electrochemical cell comprising or including is provided. The electrochemical cell has one or more other electrocatalysts that are unstable or inactivated when the anode electrode is in the presence of a layer of lead dioxide electrocatalyst facing the acidic electrolyte or an electrolyte that does not apply voltage. And a retracting mechanism for retracting the anode electrode from an initial position where the lead dioxide electrocatalyst contacts the electrolyte to a retracted position where the lead dioxide electrocatalyst is separated from the electrolyte in response to a predetermined standby state of . Optionally, the retraction mechanism is a passive retraction mechanism such as a spring, gravity, hydraulic accumulator, air accumulator, or combinations thereof. Preferably, the lead dioxide electrocatalyst is β-lead dioxide, α-lead dioxide, or a combination thereof. In one embodiment, the acidic electrolyte is a proton exchange membrane. In another embodiment, the acidic electrolyte comprises a dissolved inorganic acid, a dissolved organic acid,
Or an aqueous solution of a mixture thereof.

1つ以上の待機状態は、第1電極と第2電極との間に印加される電圧が1ボルト未満であること、セルの動作時間期間が満了したこと、オゾン濃度がセル内の設定オゾン濃度よりも高いこと、陽極酸素/オゾン発生反応が起こっていないこと、およびセルに電流が流れていないことから選択される。更に、1つ以上の待機状態は、好ましくは、陽極電極のプロトン交換膜との接触圧力が10psig(69kN/m)未満であることを含み得る。1つ以上の生成条件は、第1電極と第2電極との間に印加される電圧が1ボルトより高いこと、セルの動作の終了からある時間期間が満了したこと、オゾン濃度がセル内の設定オゾン濃度よりも低いいことから選択される。 One or more standby states are that the voltage applied between the first electrode and the second electrode is less than 1 volt, the cell operating time period has expired, and the ozone concentration is the set ozone concentration in the cell. The anodic oxygen / ozone generation reaction is not occurring, and no current is flowing through the cell. Further, the one or more standby states may preferably include that the contact pressure of the anode electrode with the proton exchange membrane is less than 10 psig (69 kN / m 2 ). One or more generation conditions are that the voltage applied between the first electrode and the second electrode is higher than 1 volt , that a period of time has expired from the end of cell operation, and that the ozone concentration is within the cell. It is selected because it is lower than the set ozone concentration.

任意選択的に、電気化学セルは、更に、陽極電極の電解質との接触圧力が設定圧力を超過することのような1つ以上の生成条件に応答して、陽極電極を後退位置から初期位置に移動させて戻すアクチュエータを備えてもよい。好ましくは、後退機構およびアクチュエータは、陽極電極を電解質から離れるように偏倚させる受動デバイスと、動作において受動デバイスの偏倚作用に打ち勝って、陽極電極を移動させて電解質と接触させる能動機構とによって構成されている。また、能動機構が電源から電力を受け、電源が陽極電極と陰極電極との間に電圧を印加するように接続されたときに、電源が能動機構に電力を供給することも好ましい。本発明は、二酸化鉛が、電力供給の各サイクル中において、その活性を維持することを特徴とする。   Optionally, the electrochemical cell further moves the anode electrode from the retracted position to the initial position in response to one or more production conditions such that the contact pressure of the anode electrode with the electrolyte exceeds a set pressure. An actuator that moves and returns may be provided. Preferably, the retraction mechanism and the actuator are constituted by a passive device that biases the anode electrode away from the electrolyte and an active mechanism that overcomes the biasing action of the passive device in operation to move the anode electrode into contact with the electrolyte. ing. It is also preferred that the power supply supply power to the active mechanism when the active mechanism receives power from the power supply and the power supply is connected to apply a voltage between the anode and cathode electrodes. The invention is characterized in that lead dioxide maintains its activity during each cycle of power supply.

電気化学装置は、更に、少なくとも電気化学セルの陽極電極に水を送出するポンプを備え、後退手段は、同様に水と流体連通する油圧アクチュエータである。好ましくは、イオン交換膜のような電解質、および電極の一方、最も好ましくは陰極を固定とする。二酸化鉛電気触媒を用いる場合、電気化学セルと流体連通する脱鉛デバイスを含むことが望ましい場合もあり、この場合、脱鉛デバイスは、鉛イオン、粒子またはコロイド種を結合または吸着することが知られている材料を内蔵する。かかる脱鉛材料は、ゼオライト、アルミナ、シリカ、またはそれらの混合物から選択され得、粉体または粒状形状であり得る。   The electrochemical device further includes a pump that delivers water to at least the anode electrode of the electrochemical cell, and the retracting means is a hydraulic actuator that is also in fluid communication with the water. Preferably, one of the electrolyte, such as an ion exchange membrane, and the electrode, most preferably the cathode, is fixed. When using lead dioxide electrocatalysts, it may be desirable to include a delead device in fluid communication with the electrochemical cell, in which case the delead device is known to bind or adsorb lead ions, particles or colloidal species. Built-in materials that are used. Such deleading material can be selected from zeolite, alumina, silica, or mixtures thereof and can be in powder or granular form.

好適な実施形態では、第1電極と第2電極との間に電圧が印加されていない場合に、陽極および陰極電極の1つ以上が後退されて、電解質との接触を絶つ。陽極および陰極の1つ以上を後退させる手段は、電極を整合する案内部材を含んでもよい。   In a preferred embodiment, when no voltage is applied between the first electrode and the second electrode, one or more of the anode and cathode electrodes are retracted to break contact with the electrolyte. The means for retracting one or more of the anode and cathode may include a guide member for aligning the electrodes.

好ましくは、電気化学装置は、更に、第1電極および第2電極を電解質と接触するように配置する手段も有する。好ましくは、電解質はイオン交換膜であり、第1電極を配置手段に結合し、第1電極の表面のみに電気触媒が形成され、イオン交換膜と接触するように配されている。一実施形態では、電極の一方を固定とし、イオン交換膜を固定電極上に固着する。   Preferably, the electrochemical device further comprises means for positioning the first electrode and the second electrode in contact with the electrolyte. Preferably, the electrolyte is an ion exchange membrane, and the first electrode is coupled to the arrangement means, and an electrocatalyst is formed only on the surface of the first electrode, and is arranged so as to contact the ion exchange membrane. In one embodiment, one of the electrodes is fixed and the ion exchange membrane is secured onto the fixed electrode.

配置手段の一例は、油圧アクチュエータ、空気アクチュエータ、手動機械的手段、圧電手段、電動機手段、またはそれらの組み合わせから選択され、好ましくは、イオン交換膜に対して供給する圧縮力が、5psig(34kN/m)〜100psig(kN/m)の間であり、最も好ましくは15psig(103kN/m)よりも高い。本装置は、電源がオフのときには後退手段が配置手段に打ち勝つように、または電源がオンのときには配置手段が後退手段に打ち勝つように設計され得る。 An example of the placement means is selected from hydraulic actuators, pneumatic actuators, manual mechanical means, piezoelectric means, electric motor means, or a combination thereof. Preferably, the compressive force supplied to the ion exchange membrane is 5 psig (34 kN / m 2) is between ~100psig (kN / m 2), and most preferably greater than 15psig (103kN / m 2). The apparatus can be designed such that the retracting means overcomes the positioning means when the power is off, or the positioning means overcomes the retracting means when the power is on.

また、本発明は、陰極電極と、陽極電極と、陽極電極と陰極電極との間に配置された酸性電解質と、陽極電極と陰極電極との間に結合された電圧源とを有する電気化学セルにおいてオゾンを発生する方法を提供する。この方法は、陽極電極と陰極電極との間に電圧を印加するステップを含み、更に、最初に陽極電極を、電解質から離間した後退位置から、
電解質と接触する動作位置に移動させ、陽極の電解質との係合の前またはそれと同時に電圧源をオンにするステップを含み、この方法は、更に、電圧源をオフにする直前またはそれと同時に陽極電極を後退させ、酸性電解質との接触を絶つステップを含むことを特徴とする。任意選択的に、陽極電極を後退させ酸性電解質との接触を絶つステップは、1つ以上の所定の待機条件の感知に応答して行われる。例えば、1つ以上の待機条件は、第1電極と第2電極との間に印加される電圧が1ボルト未満であること、セルの動作時間期間が満了したこと、オゾン濃度がセル内の設定オゾン濃度よりも高いこと、陽極酸素/オゾン発生反応が起こっていないこと、およびセルに電流が流れていないことから選択される。これに代わって、1つ以上の待機条件は、陽極電極のプロトン交換膜との接触圧力が10psig(69kN/m)を超過することを含む。
The present invention also relates to an electrochemical cell comprising a cathode electrode, an anode electrode, an acidic electrolyte disposed between the anode electrode and the cathode electrode, and a voltage source coupled between the anode electrode and the cathode electrode. Provides a method of generating ozone. The method includes the step of applying a voltage between the anode electrode and the cathode electrode, and first the anode electrode is moved from a retracted position away from the electrolyte,
Moving to an operating position in contact with the electrolyte and turning on the voltage source prior to or simultaneously with engagement of the anode with the electrolyte, the method further comprising immediately before or simultaneously with turning off the voltage source Retreating, and the step of breaking contact with the acidic electrolyte is included. Optionally, the step of retracting the anode electrode and disconnecting from the acidic electrolyte is performed in response to sensing one or more predetermined standby conditions. For example, one or more standby conditions are that the voltage applied between the first electrode and the second electrode is less than 1 volt, the cell operating time period has expired, and the ozone concentration is set in the cell. It is selected because it is higher than the ozone concentration, no anodic oxygen / ozone generation reaction occurs, and no current flows through the cell. Alternatively, the one or more standby conditions include the contact pressure of the anode electrode with the proton exchange membrane exceeding 10 psig (69 kN / m 2 ).

別の実施形態では、陽極電極の電解質との接触係合が、1つ以上の生成条件の感知に応答して行われる。1つ以上の生成条件は、第1電極と第2電極との間に印加される電圧が1ボルトより高いこと、セルの動作の終了からある時間期間が満了したこと、オゾン濃度がセル内の設定オゾン濃度よりも低いことから選択される。 In another embodiment, contact engagement of the anode electrode with the electrolyte occurs in response to sensing one or more production conditions. One or more generation conditions are that the voltage applied between the first electrode and the second electrode is higher than 1 volt , that a period of time has expired from the end of cell operation , and that the ozone concentration is within the cell. It is selected because it is lower than the set ozone concentration.

1つ以上の待機状態は、第1電極と第2電極との間に印加される電圧が1ボルト未満であること、ある時間期間の満了、オゾン濃度がセル内の設定オゾン濃度よりも高いこと、接触圧力が10psig(69N/m)未満であること、またはそれらの組み合わせか
ら選択され得るが、これらに限定される訳ではない。更に、前述の方法は、1つ以上の生成条件が成立したときに、第1電極および第2電極の1つ以上を電解質と接触するように自動的に配置することを含むこともできる。1つ以上の生成条件は、第1電極と第2電極との間に印加される電圧が1ボルトよりも高いこと、ある時間期間が満了したこと、オゾン濃度がセル内の設定オゾン濃度よりも低いこと、接触圧力が10psig(69N/m)よりも高いこと、またはそれらの組み合わせから選択され得る。
In one or more standby states, the voltage applied between the first electrode and the second electrode is less than 1 volt, the expiration of a certain period of time, and the ozone concentration is higher than the set ozone concentration in the cell The contact pressure may be selected from, but not limited to, less than 10 psig (69 N / m 2 ), or a combination thereof. Further, the above-described method can also include automatically placing one or more of the first electrode and the second electrode in contact with the electrolyte when one or more production conditions are met. One or more generation conditions are that the voltage applied between the first electrode and the second electrode is higher than 1 volt , that a certain period of time has expired, and that the ozone concentration is higher than the set ozone concentration in the cell. It can be selected from low, contact pressure higher than 10 psig (69 N / m 2 ), or combinations thereof.

好適な電解質は、ポリマ電解質膜であり、自動的に配置するステップは、好ましくは、5psig(34kN/m)〜100psig(689kN/m)の圧縮力、最も好ましくは25psi(172kN/m)〜70psig(483kN/m)の圧縮力で第1電極および第2電極の1つ以上をポリマ電解質膜に対して押圧することから成る。ここに開示する方法のステップは、一般に、所与の順序でステップを実行することに限定される訳ではないのは当然であるが、二酸化鉛電気触媒を用いる場合、1つ以上の生成条件が成立したとき、第1電極および第2電極を電解質と接触するように配置する前に、電圧を第1電極および第2電極に印加することが重要である。 Suitable electrolytes are polymer electrolyte membrane, the step of automatically arranged, preferably, compressive force of 5psig (34kN / m 2) ~100psig (689kN / m 2), and most preferably 25psi (172kN / m 2 ) To press one or more of the first and second electrodes against the polymer electrolyte membrane with a compressive force of -70 psig (483 kN / m 2 ). Of course, the steps of the disclosed method are generally not limited to performing the steps in a given order, but when using lead dioxide electrocatalysts, one or more production conditions may be present. When established, it is important to apply a voltage to the first and second electrodes before placing the first and second electrodes in contact with the electrolyte.

前述の構造を有する電気化学セルは、本装置が、更に、電気化学セルを通過する電流が存在しないことに応答して、陽極電極を後退させ電解質との接触を絶つ機構を備えていることを特徴とすることもできる。これに代わって、前述の構造を有する電気化学セルは、本装置が、更に、陽極電極を電解質から離れるように偏倚させる受動デバイスと、動作状態にあるときに受動デバイスの偏倚作用に打ち勝って、陽極電極を移動させて電解質と接触させる能動機構とを備えていることを特徴とすることもできる。更に任意選択的に、能動機構は、電源を接続し電極間に電圧を印加するときに作動されるように適合されている。更に別の代替例では、前述の構造を有する電気化学セルは、本装置が、更に、陽極電極を後退させ、電解質との接触を絶ち、セルを組み込んだ回路を遮断することによって、セルを待機状態にする機構を備えていることを特徴とすることもできる。   The electrochemical cell having the above-described structure further includes a mechanism for retracting the anode electrode and disconnecting the electrolyte in response to the absence of current passing through the electrochemical cell. It can also be a feature. Instead, an electrochemical cell having the above-described structure further overcomes the biasing action of the passive device when the apparatus is further in operation with a passive device that biases the anode electrode away from the electrolyte, An active mechanism for moving the anode electrode to contact the electrolyte may be provided. Further optionally, the active mechanism is adapted to be activated when a power source is connected and a voltage is applied between the electrodes. In yet another alternative, an electrochemical cell having the above-described structure causes the apparatus to wait for the cell by further retracting the anode electrode, disconnecting the electrolyte, and interrupting the circuit incorporating the cell. It can also be characterized by having a mechanism for making the state.

先に引用した本発明の特徴および利点を詳細に理解することができるように、先に手短に概要を述べた発明の更に特定的な説明を、添付図面に図示した実施形態を参照しながら行う。しかしながら、添付した図面は本発明の典型的な実施形態のみを例示するのであり、本発明はその他の等しく有効な実施形態も許容するのであり、したがってその範囲の限
定と見なしてはならないことを注記しておく。
In order that the above-cited features and advantages of the present invention may be understood in detail, a more particular description of the invention briefly described above will be made with reference to the embodiments illustrated in the accompanying drawings. . It should be noted, however, that the accompanying drawings illustrate only typical embodiments of the invention and that the invention allows other equally valid embodiments and therefore should not be considered as limiting its scope. Keep it.

本発明は、電気触媒を含む材料の劣化や効率低下を招くことなく、周期的、非定常状態、または非連続動作に対応する電気化学セルおよび方法を提供する。これらの装置および方法では、セル電圧とも呼ばれる、正電極および負電極間の電位が連続的にセルに印加されていることを検証するために、オペレータが注意しなくてもよい。更に、これらの装置および方法は、種々の動作および待機期間ならびに周波数において、大量の繰り返し「オン」/「オフ」サイクルに対応する。   The present invention provides an electrochemical cell and method that accommodates periodic, non-steady state, or non-continuous operation without incurring degradation or reduced efficiency of the material containing the electrocatalyst. In these devices and methods, the operator does not have to be careful to verify that the potential between the positive and negative electrodes, also called cell voltage, is continuously applied to the cell. In addition, these devices and methods support a large number of repetitive “on” / “off” cycles in various operations and standby periods and frequencies.

電気化学装置の基本的構造単位は、電気化学セルである。つまり、電気化学装置は、単一の電気化学セル、あるいはバイポーラフィルタ圧着構成で直列に積層された複数の電気化学セル、または直列に積層されて単極フォーマットで電気的に接続された複数の電気化学セルで構成することができる。電気化学セルの構造的要素は、イオン伝導性電解質によって、陰極即ち負電極から分離された陽極即ち正電極から成る。電解質が液体の場合、微細多孔質セパレータを陽極と陰極との間に配置してもよい。正電極および負電極はに互いに離間して保持されており、電解質と共に、先に特定した要素を支持し収容する壁を有するコンテナ内に収容される。また、コンテナは、反応物の供給、ならびにコンテナの陽極領域およびコンテナの陰極領域双方からの生成物の取り出しに関連する、複数の入力ポートおよび出力ポートも有し得る。   The basic structural unit of an electrochemical device is an electrochemical cell. That is, an electrochemical device can be a single electrochemical cell, a plurality of electrochemical cells stacked in series in a bipolar filter crimp configuration, or a plurality of electrical cells stacked in series and electrically connected in a monopolar format. It can consist of chemical cells. The structural element of an electrochemical cell consists of an anode or positive electrode separated from a cathode or negative electrode by an ion conducting electrolyte. When the electrolyte is a liquid, a fine porous separator may be disposed between the anode and the cathode. The positive and negative electrodes are held apart from each other and are housed in a container having a wall that supports and houses the previously identified elements, along with the electrolyte. The container may also have a plurality of input and output ports associated with the supply of reactants and product removal from both the container's anode and container cathode regions.

陽極および陰極電極は、基板材料から成り、その上を適当な電気触媒層で被覆される。しかしながら、電極基板材料は、電気触媒自体として機能してもよい。多くの電気化学的プロセスに対して、最も相応しいのは、電子伝導性の陽極および陰極電極基板を多孔質として、液体または気体反応物を電気触媒/電解質界面に到達させたり、塩基触媒/電解質界面から液体または気体生成物を除去できるようにすることである。   The anode and cathode electrodes are made of a substrate material and are coated with a suitable electrocatalyst layer thereon. However, the electrode substrate material may function as the electrocatalyst itself. For many electrochemical processes, the most suitable is to make the electron conductive anode and cathode electrode substrates porous so that liquid or gaseous reactants can reach the electrocatalyst / electrolyte interface, or the base catalyst / electrolyte interface. To allow removal of liquid or gaseous products from the

高い正電極電位、反応性が高い電解質(濃水溶性鉱酸および鉱塩基)、および高酸化環境に耐えることができる適当な陽極電極基板は、多孔性チタン、多孔性チタン亜酸化物、多孔性ジルコニウム、およびその組み合わせを含む。多孔性酸性基板は、焼結粉体または粒子、圧縮および焼結、または単純圧縮不規則配向ファイバ、織布または不織布またはメッシュ、スクリーン、フェルト材料、高度に穿孔された金属シート、あるいは孔を微細エッチングした金属シートの形態とすることができる。電気化学オゾン発生の場合、適当な陽極電気触媒層は、α−二酸化鉛、β−二酸化鉛、硼素をドープしたダイアモンド、プラチナ−タングステン合金または混合物、グラス・ファイバ、フッ素化グラファイト、およびプラチナを含む。   Suitable positive electrode substrates that can withstand high positive electrode potentials, highly reactive electrolytes (concentrated water-soluble mineral acids and mineral bases), and highly oxidizing environments are porous titanium, porous titanium suboxide, porous Includes zirconium, and combinations thereof. Porous acidic substrates can be sintered powder or particles, compressed and sintered, or simply compressed irregularly oriented fibers, woven or non-woven or mesh, screens, felt materials, highly perforated metal sheets, or fine pores It can be in the form of an etched metal sheet. For electrochemical ozone generation, suitable anode electrocatalyst layers include α-lead dioxide, β-lead dioxide, boron doped diamond, platinum-tungsten alloys or mixtures, glass fiber, fluorinated graphite, and platinum. .

適当な陰極電極基板または適当な陰極電極裏当て材料は、ステンレス鋼(特に、304ステンレス鋼および316ステンレス鋼)、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅、チタン亜酸化物、タンタル、ハフニウム、ニオブおよびジルコニウムから選択した多孔質金属を含む。これらの陰極基板は、多孔質であり、液体または気体反応物の陰極電気触媒/電解質界面への供給、あるいは液体または気体生成物の陰極電気触媒/電解質界面からの回収を可能にするとよい。適当な多孔質陰極基板は、焼結粉体または粒子、圧縮および焼結、または単純圧縮不規則配向ファイバ、織布または不織布またはメッシュ、スクリーン、フェルト、多孔金属シート、あるいは孔を微細エッチングした金属シートを含む。電気化学オゾン発生の場合、最も相応しい陰極電極基板または電極裏当て材料は、多孔質ステンレス鋼材料から誘導することができる。好ましい陰極電気触媒層は、プラチナ、パラディウム、金、イリジウム、ニッケル、熱分解炭素支持コバルト・フタロシアニート、グラファイトまたは炭素材料、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム/イリジウム、酸化ルテニウム/イリジウム/チタン、炭素支持プラチナ、炭素支持パラジウム、およ
びその混合物を含む。
Suitable cathode electrode substrates or suitable cathode electrode backing materials are stainless steel (especially 304 stainless steel and 316 stainless steel), nickel, nickel-chromium alloy, copper, titanium suboxide, tantalum, hafnium, niobium and zirconium. A porous metal selected from These cathode substrates are porous and may allow for the supply of liquid or gaseous reactants to the cathode electrocatalyst / electrolyte interface or the recovery of liquid or gaseous products from the cathode electrocatalyst / electrolyte interface. Suitable porous cathode substrates include sintered powders or particles, compressed and sintered, or simply compressed irregularly oriented fibers, woven or nonwoven fabrics or meshes, screens, felts, porous metal sheets, or finely etched metal Includes sheets. In the case of electrochemical ozone generation, the most suitable cathode electrode substrate or electrode backing material can be derived from a porous stainless steel material. Preferred cathode electrocatalyst layers are platinum, palladium, gold, iridium, nickel, pyrolytic carbon supported cobalt phthalocyanine, graphite or carbon material, ruthenium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide / iridium, ruthenium oxide / iridium / titanium, Includes carbon supported platinum, carbon supported palladium, and mixtures thereof.

これに代わって、陰極は、例えば、疎水性ガス拡散層上に支持された、ポリテトラフルオロエチレン結合半疎水性触媒層から成る、ガス拡散陰極であってもよい。本発明の一実施形態では、触媒層は、プロトン交換ポリマ、ポリテトラフルオロエチレン・ポリマ、およびプラチナ、パラジウム、金、イリジウム、ニッケル、熱分解炭素支持コバルト・フタロシアニン、グラファイトまたは炭素材料、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム/イリジウム、酸化ルテニウム/イリジウム/チタン、炭素支持プラチナ、炭素支持パラジウム、ならびにそれらの混合物から選択された電気触媒から成る。ガス拡散層は、微細炭素粉体から派生した焼結塊を含浸させた炭素布および炭素紙ファイバ、およびポリテトラフルオロエチレン乳剤を有する。このガス拡散陰極およびその他のガス拡散陰極は、陰極の空気消極(air depolarization)に、特に開放陰極に適当である。   Alternatively, the cathode may be, for example, a gas diffusion cathode consisting of a polytetrafluoroethylene bonded semi-hydrophobic catalyst layer supported on a hydrophobic gas diffusion layer. In one embodiment of the invention, the catalyst layer comprises a proton exchange polymer, a polytetrafluoroethylene polymer, and platinum, palladium, gold, iridium, nickel, pyrolytic carbon supported cobalt phthalocyanine, graphite or carbon material, ruthenium oxide, It consists of an electrocatalyst selected from iridium oxide, ruthenium oxide / iridium, ruthenium oxide / iridium / titanium, carbon supported platinum, carbon supported palladium, and mixtures thereof. The gas diffusion layer has a carbon cloth and carbon paper fiber impregnated with a sintered mass derived from fine carbon powder, and a polytetrafluoroethylene emulsion. This gas diffusion cathode and other gas diffusion cathodes are suitable for air depolarization of the cathode, especially for open cathodes.

電気化学セルにおいて特に有用な電解質は、鉱酸水溶液、塩基水溶液、塩水溶液、または酸または塩基と結合した塩の水溶液を含む。電解質セルにおけるオゾンの電気化学的生成では、水と、その中に溶解したフルオロアニオンの酸または塩から成る電解質を用いることが特に有利である。フルオロアニオン電解質は、高い収率でオゾンを生成することができる。フルオロアニオン、具体的には、ヘキサフルオロ−アニオンは、特に好ましい。   Particularly useful electrolytes in electrochemical cells include aqueous mineral acids, aqueous bases, aqueous salts, or aqueous solutions of salts combined with acids or bases. For the electrochemical production of ozone in the electrolyte cell, it is particularly advantageous to use an electrolyte consisting of water and an acid or salt of a fluoroanion dissolved therein. The fluoroanion electrolyte can generate ozone with a high yield. Fluoroanions, in particular hexafluoro-anions, are particularly preferred.

本発明に従った使用に適した特定のクラスの電解質は、任意の数のイオン交換ポリマであり得、スルホネート、カルボキシレート、ホスホネート、イミド、スルホンイミド、およびスルホンアミド基から成る群から好ましくは選択された陽イオン交換基を有するポリマを含む。種々の公知の陽イオン交換ポリマを用いることができ、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、スチレンジビニルベンゼン、α−、β−、β−トリフルオリスチレン等のポリマおよびコポリマを含み、それらのポリマおよびコポリマには陽イオン交換基が導入されている。本発明に従って使用するためのポリマ電解質は、好ましくは、スルホネート・イオン交換基を有する高フッ素化イオン交換ポリマである。「高フッ素化」とは、ポリマ内の一価原子の総数の少なくとも90%がフッ素原子であることを意味する。最も好ましくは、ポリマは全フッ素化スルホン酸(perfluorinated sufonic acid)である。全フッ素化陽イオン交換ポリマに基づく固体ポリマ電解質は、塩基化学的オゾン発生に最も適している。その理由は、溶解イオン種あるいは懸濁した無機または有機物質が存在しない水だけを、電気化学セルに加えればよいからである。これによって、反応性の高い電解質による電気化学セル・コンポーネントの劣化や発生した気体オゾンにおける液体電解質の混入を回避する。 The particular class of electrolytes suitable for use in accordance with the present invention can be any number of ion exchange polymers, preferably selected from the group consisting of sulfonate, carboxylate, phosphonate, imide, sulfonimide, and sulfonamide groups. Polymers with modified cation exchange groups. Various known cation exchange polymers can be used, including polymers and copolymers such as trifluoroethylene, tetrafluoroethylene, styrene divinylbenzene, α-, β 1- , β 2 -trifluorostyrene, and the like. And copolymers have cation exchange groups introduced. The polymer electrolyte for use in accordance with the present invention is preferably a highly fluorinated ion exchange polymer having sulfonate ion exchange groups. “Highly fluorinated” means that at least 90% of the total number of monovalent atoms in the polymer is fluorine atoms. Most preferably, the polymer is a perfluorinated sulfonic acid. Solid polymer electrolytes based on perfluorinated cation exchange polymers are most suitable for basic chemical ozone generation. The reason is that only water that is free of dissolved ionic species or suspended inorganic or organic matter need be added to the electrochemical cell. This avoids degradation of electrochemical cell components due to highly reactive electrolytes and contamination of the liquid electrolyte in the generated gaseous ozone.

膜の保全性および耐久性を高めるように補強したイオン交換ポリマを利用することが特に好ましい。即ち、厚さが50μm未満で、延伸加工された多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)膜内に組み込まれたプロトン交換ポリマを含む超薄型複合膜が、本発明におけるポリマ電解質としての使用に適している。別の適当な膜には、不規則に配向された個々のファイバの多孔質基板、および多孔質基板内に埋め込まれたイオン伝導ポリマが含まれる。現在入手可能な、または将来開発されるその他の強化膜も、本発明に従った使用に適することもある。   It is particularly preferred to utilize an ion exchange polymer that has been reinforced to enhance the integrity and durability of the membrane. That is, an ultra-thin composite membrane having a thickness of less than 50 μm and including a proton exchange polymer incorporated in a stretched porous polytetrafluoroethylene (PTFE) membrane is suitable for use as a polymer electrolyte in the present invention. ing. Another suitable membrane includes a randomly oriented porous substrate of individual fibers and an ion conducting polymer embedded within the porous substrate. Other reinforcing membranes currently available or developed in the future may also be suitable for use in accordance with the present invention.

陽極および陰極間に配置されたプロトン交換膜は、フッ素化炭素骨格上にスルホネート官能基を含有するポリマ材料で製作する。このような2つの材料は、1100グラムの等価重量を有する「NAFION(商標)」PEM、および800グラムの等価重量を有するダウ エクスペリメンタル PEM(Dow experimental PEM)(XUS−13204.20)を含む。「NAFION(商標)」105、115および117は各々本発明において申し分なく作用するが、「NAFION(商標)」117は好
適な「NAFION(商標)」製品である。しかしながら、非フッ素化炭素骨格を有するスルホン化ポリマであれば、本発明にしたがって作用可能であることが予期される。かかるポリマは、ポリスチレン・スルホネートを含む可能性がある。加えて、かかる材料には、フッ素化材が被覆され、化学的攻撃に対するその耐性を高めている場合がある。また、フッ素化炭素骨格にカルボキシレート官能基が付着したポリマ材で作られたプロトン交換膜も、本発明にしたがって動作可能であると予期される。その例には、「NEOSEPT−F」という商品名でトクヤマ・ソーダ・カンパニー(Tokuyama Soda Company)から入手可能なもの、「フレミオン(FLEMION)]という商品名で旭硝子株式会社(Asahi Glass Compnay)から入手可能なもの、「アシプレックス−S(ACIPLEX−S)」という商品名で旭化学工業株式会社(Asahi Chemical Industry Compnay)から入手可能なもの、および「TOSFLEX IE−SA48」という商品名でトーショー・コーポレーション(Tosoh Corporation)から入手可能なものが含まれる。更に、過フッ素ビス−スルホンイミド(CF−[CF SO NHSO CF]n−CF)、過フッ素フォスホン酸、および対応するカルボカチオン酸に基づくポリマ系も、本発明によるプロトン交換膜として申し分なく機能する。ダウ エクスペリメンタル PRMでは、デュポン(duPont)が製造する「NAFION(商標)」PEM材料よりも遥かに高い性能が得られる。しかしながら、「NAFION(商標)」の方が、プラチナ電極に含浸するには優れていることがわかっている。
The proton exchange membrane disposed between the anode and the cathode is made of a polymer material containing sulfonate functional groups on a fluorinated carbon skeleton. Two such materials include “NAFION ™” PEM having an equivalent weight of 1100 grams and Dow experimental PEM (XUS-13204.20) having an equivalent weight of 800 grams. . While “NAFION ™” 105, 115 and 117 each perform well in the present invention, “NAFION ™” 117 is a preferred “NAFION ™” product. However, any sulfonated polymer having a non-fluorinated carbon skeleton is expected to be able to work in accordance with the present invention. Such polymers may include polystyrene sulfonate. In addition, such materials may be coated with a fluorinated material to increase its resistance to chemical attack. Proton exchange membranes made of polymer materials with carboxylate functional groups attached to a fluorinated carbon skeleton are also expected to be operable according to the present invention. Examples are those available from Tokuyama Soda Company under the trade name “NEOSEPT-F”, and from Asahi Glass Company under the trade name “FLEION”. Available, available from Asahi Chemical Industry Company under the trade name "ACIPLEX-S", and Tosho Corporation under the trade name "TOSFLEX IE-SA48" Those available from (Tosoh Corporation). Moreover, perfluorinated bis - sulfonimide (CF 3 - [CF 2 SO 2 NHSO 2 CF 2] n-CF 3), perfluorinated Fosuhon acid, and also the corresponding polymer system based on a carbocation acid, proton exchange according to the invention Works perfectly as a membrane. The Dow Experimental PRM provides much higher performance than the “NAFION ™” PEM material manufactured by duPont. However, “NAFION ™” has been found to be better for impregnating platinum electrodes.

PEM含浸ガス拡散電極を、カーバー(Carver)ホット・プレスを用いて、精製したプロトン交換膜の少なくとも一面上にホット・プレスして、膜および電極(M&E)アセンブリを生成することができる。ホット・プレス手順は、PEMと、PEMの一方または両方の面にあるPEM含浸ガス拡散電極から成るサントイッチ構造を、約100psi(689kN/m)のプレスのプラテン間に配置することを含む。プラテンは、予め100℃に加熱されている。プラテンの温度が125℃〜230℃間の予め選択した範囲まで上昇した後、1000psi(6890kN/m)〜50000psi(344500kN/m)の範囲の予め選択した圧力を、15秒から150秒まで変化する時間期間にわたって、膜および電極アセンブリに加える。ホット・プレスしたM&Eは、直ちにホット・プレス機から取り出さなければならない。 A PEM impregnated gas diffusion electrode can be hot pressed onto at least one side of the purified proton exchange membrane using a Carver hot press to produce a membrane and electrode (M & E) assembly. The hot press procedure involves placing a Suntoitch structure consisting of a PEM and a PEM-impregnated gas diffusion electrode on one or both sides of the PEM, between the platens of the press at about 100 psi (689 kN / m 2 ). The platen is preheated to 100 ° C. After the temperature of the platen is raised to a pre-selected range between 125 ° C. to 230 ° C., a preselected pressure in the range of 1000psi (6890kN / m 2) ~50000psi (344500kN / m 2), from to 150 seconds 15 seconds Add to membrane and electrode assembly over varying time periods. Hot pressed M & E must be removed from the hot press immediately.

M&Eアセンブリの準備に好ましい条件は、160℃のホット・プレス温度、90秒のホット・プレス時間、および3000psi(20700kN/m)〜14000(96500kN/m)の範囲のホット・プレス圧力から成ることがわかった。 Preferred conditions for the preparation of the M & E assembly consist of a hot press temperature of 160 ° C., a hot press time of 90 seconds, and a hot press pressure in the range of 3000 psi (20700 kN / m 2 ) to 14000 (96500 kN / m 2 ). I understood it.

本発明の電解質セルに用いる二酸化鉛陽極は、陽極析出(anodic deposition)によって調製され得る。二酸化鉛を堆積する陽極基板の選択は、限定されている。何故なら、堆積を試みる際に殆どの金属が溶融するからである。しかしながら、チタン、チタン亜酸化物(「EBONEX(登録商標)」という商品名でアトラバーダ・リミテッド(Atraverda Limited)によって生産されているもの等)、プラチナ、タングステン、タンタル、ニオブおよびハフニウムのようなバルブ金属が、陽極用基板として適している。チタン、タングステン、ニオブ、ハフニウムまたはタンタルを基板材料として利用する場合、これらにまず白金メッキして、未被覆基板において時として遭遇する不動態化(passivation)の問題を解消する。白金メッキ・プロセスは、基板材料の予備堆積化学的エッチングを含み得る。   The lead dioxide anode used in the electrolyte cell of the present invention can be prepared by anodic deposition. The choice of anode substrate for depositing lead dioxide is limited. This is because most metals melt when attempting deposition. However, valve metals such as titanium, titanium suboxides (such as those produced by Atravada Limited) under the trade name “EBONEX®”, platinum, tungsten, tantalum, niobium and hafnium. However, it is suitable as a substrate for an anode. When titanium, tungsten, niobium, hafnium or tantalum is utilized as the substrate material, these are first platinum plated to eliminate the passivation problems sometimes encountered in uncoated substrates. The platinization process may include pre-deposition chemical etching of the substrate material.

グラファイトの形態の炭素を基板として用いることもできる。しかしながら、二酸化鉛の接着性は、炭素を完全に脱気されていないと、特に問題となる。炭素の脱気を行うには、水中である時間沸騰させ、次いで何日間か真空乾燥させる。脱気されると、接着性は、熱応力に対して大幅に改善される。ガラス体またはガラス状炭素には接着性の問題が見ら
れない。
Carbon in the form of graphite can also be used as the substrate. However, the adhesion of lead dioxide is particularly problematic if the carbon is not completely degassed. To degas the carbon, it is boiled for some time in water and then vacuum dried for several days. When degassed, adhesion is greatly improved against thermal stress. There is no adhesion problem with glass or glassy carbon.

プラチナは、作業するのに最も便利な基板材料であり、最も均一な堆積を与え、付加的な問題を全く生じない。したがって、プラチナは、通例では、二酸化鉛陽極に最も適した基板材料である。しかしながら、その高コストのために、別の前述した基板材料の方が、商用には現実的となっている。   Platinum is the most convenient substrate material to work with, giving the most uniform deposition and causing no additional problems. Thus, platinum is typically the most suitable substrate material for lead dioxide anodes. However, due to its high cost, the other aforementioned substrate materials are more practical for commercial use.

いずれにしても、公知のメッキ漕内で二酸化鉛を基板上にメッキする。メッキ漕は、本質的に、窒化鉛、過塩素酸ナトリウム、窒化銅、ならびに少量のフッ化ナトリウムおよび水から成る。pHを2〜4の間に維持したメッキ漕において、基板材料を陽極として設定する。1平方センチメートル当たり10〜400ミリアンペアの間の電流密度にすると、明るく、滑らかで、接着性のある二酸化鉛堆積物が得られる。漕の温度は、堆積中常時20℃および70℃の間に維持する。堆積を行うには、電解質を強く撹拌し、陽極を素早く機械的に振動させると、ピンホールや根粒のない一定した微細粒子堆積が得られる。界面活性剤をメッキ溶液に添加すると、気体泡が陽極表面に付着する可能性を低下させることができる。   In any case, lead dioxide is plated on the substrate in a known plating vessel. The plating vessel consists essentially of lead nitride, sodium perchlorate, copper nitride, and small amounts of sodium fluoride and water. The substrate material is set as the anode in the plating trough whose pH is maintained between 2 and 4. A current density between 10 and 400 milliamperes per square centimeter results in a bright, smooth and adherent lead dioxide deposit. The soot temperature is maintained between 20 ° C. and 70 ° C. throughout the deposition. To perform the deposition, the electrolyte is vigorously stirred and the anode is vibrated quickly and mechanically, resulting in a constant fine particle deposition without pinholes and nodules. When a surfactant is added to the plating solution, the possibility that gas bubbles adhere to the anode surface can be reduced.

陽イオン交換ポリマに基づく水性電解質または固体ポリマ電解質のいずれかを用いた、オゾンの電気化学的発生に特に適した陽極電極基板および陽極電気触媒は、β−二酸化鉛の層によって被覆された多孔質チタンである。多孔質チタン基板上におけるβ−二酸化鉛の接着力を高めるために、多孔質チタン基板を適当に清浄化し、化学的にエッチングし、次いで金属プラチナの薄い層またはフラッシュ・コーティングを多孔質チタン基板上に堆積し、その直後に、β−二酸化鉛電気触媒層の電気的堆積を行うとよいことが見出されている。しかしながら、本発明者が行った実験では、パーフルオロスルホン酸のような陽イオン交換ポリマ膜に基づく固体ポリマ電解質を電解質として用いる場合、多孔質チタン基板の性質には、電気化学的オゾン発生効率、およびオゾン発生用電気化学セルの寿命に顕著な効果があることがわかった。
後退可能電極
本発明は、1つ以上の電極を電解質と接触するように配置する手段と、1つ以上の電極を後退させ電解質との接触から引き離す手段とを提供する。単一電気化学セル装置では、1つだけの可動電極、即ち、1つの位置決めおよび後退可能電極と、1つの固定電極を有することが好ましい。
Anode electrode substrates and anode electrocatalysts that are particularly suitable for the electrochemical generation of ozone, using either aqueous or solid polymer electrolytes based on cation exchange polymers, are porous coated with a layer of β-lead dioxide Titanium. To enhance the adhesion of β-lead dioxide on the porous titanium substrate, the porous titanium substrate is appropriately cleaned and chemically etched, and then a thin layer of platinum metal or a flash coating is applied on the porous titanium substrate. It has been found that a β-lead dioxide electrocatalyst layer may be electrodeposited immediately thereafter. However, in experiments conducted by the present inventors, when a solid polymer electrolyte based on a cation exchange polymer membrane such as perfluorosulfonic acid is used as an electrolyte, the properties of the porous titanium substrate include electrochemical ozone generation efficiency, And it has been found that there is a significant effect on the lifetime of the electrochemical cell for ozone generation.
Retractable Electrodes The present invention provides means for positioning one or more electrodes in contact with the electrolyte and means for retracting one or more electrodes away from contact with the electrolyte. In a single electrochemical cell device, it is preferred to have only one movable electrode, ie one positioning and retractable electrode and one fixed electrode.

配置手段および後退手段は、同じデバイスでも、異なるデバイスでもよい。配置/後退手段は、所与の停止条件に応じて後退するように設計することが好ましく、停止条件とは、第1電極と第2電極との間に印加されている電圧が1ボルトよりも低いこと、時間期間の満了、設定オゾン濃度よりも高いオゾン濃度、5psi(34.5kN/m)未満の接触圧力、およびそれらの組み合わせである。あるいは、配置/後退手段は、所与の生成条件に応じて1つ以上の電極を電解質と接触するように配置するように設計してもよい。生成条件とは、第1電極と第2電極との間に印加されている電圧が1ボルトよりも高いこと、時間期間の満了、設定オゾン濃度未満のオゾン濃度、5psi(34.5kN/m)よりも大きい接触圧力、およびそれらの組み合わせである。 The positioning means and the retracting means may be the same device or different devices. The placement / retraction means is preferably designed to retract in accordance with a given stop condition, which means that the voltage applied between the first electrode and the second electrode is less than 1 volt. Low, expiration of time period, ozone concentration above set ozone concentration, contact pressure less than 5 psi (34.5 kN / m 2 ), and combinations thereof. Alternatively, the placement / retraction means may be designed to place one or more electrodes in contact with the electrolyte depending on the given production conditions. The generation conditions are that the voltage applied between the first electrode and the second electrode is higher than 1 volt, the expiration of the time period, the ozone concentration below the set ozone concentration, 5 psi (34.5 kN / m 2). ) Greater than the contact pressure, and combinations thereof.

二酸化鉛陽極電気触媒を用いる場合、電位がオフの間、二酸化鉛を電解質の酸性環境に接触するのを防止することが非常に重要である。本発明によれば、3つの適した起動および停止モードがある。第1に、印加電位を除去する前に陽極を後退させなければならず、陽極を電解質に接触させる前に、適当な電位を印加しなければならない。例えば、陽極が電解質との接触を開始する前に、30秒間電圧を印加すること、および/または陽極を後退させ電解質との接触から引き離した後30秒間印加することである。第2に、電圧は、陽極と電解質とを分離させるのと同時にオフされ得る。第3に、印加する電位を「オン」
に維持し、この場合、陽極の電解質に対する接触および後退は、電流を「オン」および「オフ」に切り換えるスイッチとして作用し得る。
When using a lead dioxide anode electrocatalyst, it is very important to prevent the lead dioxide from contacting the acidic environment of the electrolyte while the potential is off. According to the present invention, there are three suitable start and stop modes. First, the anode must be retracted before removing the applied potential, and an appropriate potential must be applied before contacting the anode with the electrolyte. For example, applying a voltage for 30 seconds before the anode initiates contact with the electrolyte and / or applying for 30 seconds after the anode is retracted and separated from contact with the electrolyte. Second, the voltage can be turned off simultaneously with separating the anode and electrolyte. Third, the applied potential is “on”
In this case, contact and retraction of the anode to the electrolyte can act as a switch to switch the current “on” and “off”.

本発明によれば、特殊な起動および停止手順を設け、供給電力における急激な変化を回避することも有用である。つまり、この手順は、現在値と目標値との間で電力を徐々に傾斜させるか、または段階的に増大させていくことを含み得る。かかる電力の漸進的または段階的増大または減少は、周期的にセルを「オン」および「オフ」する毎に用いられ得る。例えば、セルを介した電流密度を、数回1平方センチメートル当たり0.15アンペアから段階的に増大させ、最終的に1平方センチメートル当たり3アンペアの最終電流に到達するようにしてもよい。更に、セルの最初の使用の際に、特殊な「初期設定」プロファイルに従い、セルの出荷および保存状態から完動状態までのセル条件における、最初の使用中に行わなければならない膜の湿潤のような、ある種の1回だけの変化に対処するようにしてもよい。好適な実施形態では、電力を調節して、セルの電圧が所与の電圧範囲、最も好ましくは、3ボルト〜8ボルトの間に留まるようにされ得る。   According to the present invention, it is also useful to provide special start and stop procedures to avoid sudden changes in the power supply. That is, this procedure may include gradually ramping or increasing the power between the current value and the target value. Such a gradual or gradual increase or decrease in power can be used each time the cell is “on” and “off” periodically. For example, the current density through the cell may be increased stepwise from 0.15 amperes per square centimeter several times to eventually reach a final current of 3 amperes per square centimeter. In addition, during the first use of the cell, according to a special “default” profile, such as membrane wetting that must be done during the first use in the cell conditions from cell shipping and storage to full operation It may also be possible to deal with some sort of one-time change. In a preferred embodiment, the power can be adjusted so that the cell voltage stays within a given voltage range, most preferably between 3 volts and 8 volts.

配置手段および後退手段は、能動的、受動的、または能動的および受動的の組み合わせでもよいが、後退手段を受動的とし、配置手段を能動的とすることが好ましい。ここで用いる場合、「能動的」という用語は、デバイスの状態または位置を保証するために、外力(電気、油圧、空気、圧電)の連続的印加が必要であることを意味する。例えば、電気ソレノイドが能動デバイスであるのは、ソレノイドへの電力を維持する間だけ、当該ソレノイドに接続されているプッシュ・ロッドを所望の状態に付勢するからである。ここで用いる場合、「受動的」という用語は、外力による作用がないと、デバイスの状態または位置が維持されないことを意味する。例えば、波形ばねまたはコイルばねが受動デバイスであるのは、対向する外力がばねに打ち勝たないかぎり、当該ばねに接続されているプッシュ・ロッドは所望の状態に付勢されるからである。ここで用いる場合、「フェールセーフ」という用語は、停電のような特定の障害時にデバイスが取る状態または位置のことを意味する。   The positioning means and the retracting means may be active, passive, or a combination of active and passive, but preferably the retracting means is passive and the positioning means is active. As used herein, the term “active” means that a continuous application of external forces (electrical, hydraulic, pneumatic, piezoelectric) is required to ensure the state or position of the device. For example, an electrical solenoid is an active device because it pushes the push rod connected to the solenoid to the desired state only while maintaining power to the solenoid. As used herein, the term “passive” means that the state or position of the device is not maintained without the action of external forces. For example, a wave spring or coil spring is a passive device because, unless an opposing external force overcomes the spring, the push rod connected to the spring is biased to the desired state. As used herein, the term “fail-safe” means a state or location that a device takes in the event of a particular failure, such as a power failure.

本発明の好適な実施形態では、後退手段は受動的である。受動的後退を行うには、力学的蓄積エネルギ・デバイスを設け、これが被作動電極に偏倚を維持して後退状態または位置に向かわせ、作動力を解除したときに後退が自動的に行われるようにしている。力学的蓄積エネルギ・デバイスは、ばね、加圧流体コンテナ、重り、およびそれらの組み合わせとすることができる。このように、電気化学装置の故障または停止によって、電極の後退が行われる。   In a preferred embodiment of the invention, the retracting means is passive. To perform passive retraction, a mechanically stored energy device is provided, which maintains the biased electrode toward the retracted state or position so that retraction occurs automatically when the actuation force is released. I have to. The mechanically stored energy device can be a spring, a pressurized fluid container, a weight, and combinations thereof. In this way, the electrode is retracted due to the failure or stoppage of the electrochemical device.

1つ以上の電極の配置および後退は、一般に、案内部材によって制御された反対方向の移動であるが、1つ以上の電極は、多数の経路のいずれを辿ってもよい。好適な経路は、1つ以上の電極の並進移動のみを許す案内部材を有する直線経路であるが、1つ以上の電極の蝶番状移動のみを許す案内部材を有する円弧状経路を用いることも可能である。経路の正確な方向や、それに伴う案内部材の種別には無関係に、セルの全作用領域の動作を維持するように、即ち、PEMと完全に接触させ、いずれの対向する電極の作用領域とも全体的に対向して電極を維持するように、1つ以上の電極を配置することが重要である。   The placement and retraction of one or more electrodes is generally a reverse movement controlled by a guide member, but the one or more electrodes may follow any of a number of paths. The preferred path is a linear path with a guide member that only allows translational movement of one or more electrodes, but an arcuate path with a guide member that allows only hinged movement of one or more electrodes can also be used. It is. Regardless of the exact direction of the path and the type of guide associated therewith, the operation of the entire working area of the cell is maintained, i.e. in full contact with the PEM, and the working area of any opposing electrode is entirely It is important to arrange one or more electrodes so as to maintain the electrodes facing each other.

案内部材(複数の案内部材)は、様々な形態で設けることができ、プッシュ・ロッドを案内するもの、および電極自体を案内するものが含まれる。更に、案内部材は、電極またはプッシュ・ロッドを貫通して、またはこれらの回りに配置されてもよいし、あるいは配置手段との剛性接続のみで構成されてもよい。電極およびPEMの整合を得ることに加えて、案内部材は、PEMの面に対する電極の回転および側方移動を制限することが好ましい。回転および側方移動が望ましくないのは、PEMまたは電気触媒に物理的な損傷を与える虞れがあるからだけでなく、動作サイクル毎に電極およびPEMを一定的に再整合す
ることによって、電気触媒およびPEMが一定圧縮状態にある従来からのセルにおけるように、電気触媒およびPEM表面におけるあらゆる物理的ばらつきを互いに一致させるからである。動作サイクル毎に電気触媒被覆基板およびPEMを一定的に再整合することは、本発明によれば好ましい。
The guide member (a plurality of guide members) can be provided in various forms, including one that guides the push rod and one that guides the electrode itself. Furthermore, the guide member may be arranged through or around the electrode or push rod, or may only consist of a rigid connection with the arrangement means. In addition to obtaining electrode and PEM alignment, the guide member preferably limits rotation and lateral movement of the electrode relative to the plane of the PEM. Rotation and lateral movement are not desirable because it may cause physical damage to the PEM or electrocatalyst, but by constantly realigning the electrode and PEM every operating cycle, And any physical variation on the electrocatalyst and the PEM surface is matched to each other as in a conventional cell where the PEM is in a constant compression state. Constant realignment of the electrocatalyst-coated substrate and the PEM every operating cycle is preferred according to the present invention.

本発明の電気化学装置に用いられる電解質は、液体電解質またはPEMのような固体電解質(イオン交換膜とも呼ぶ)のいずれでもよい。イオン交換膜が好ましいのは、液体電解質はプロセス水とは別個に維持しなければならないからである。電気化学セルは、単に膜と接触する電極と共に機能するが、膜を電極の1つの上に支持することが好ましい。この支持は、膜が電極の1つに対して静止状態となるように固着すること、または膜を電極の1つに直接接合するまたは鋳込むことを含む。適当な接合手順の一例では、全フッ素化スルホン酸ポリマ膜を、300psi(2067kN/m)の圧力の下で好ましくは約90秒間、約160℃まで加熱することを含む。二酸化鉛の陽極電気触媒を用いる場合、イオン交換膜を陰極に固着する。 The electrolyte used in the electrochemical device of the present invention may be either a liquid electrolyte or a solid electrolyte (also referred to as an ion exchange membrane) such as PEM. Ion exchange membranes are preferred because the liquid electrolyte must be maintained separately from the process water. The electrochemical cell functions with an electrode that simply contacts the membrane, but preferably supports the membrane on one of the electrodes. This support includes securing the membrane to be stationary with respect to one of the electrodes, or bonding or casting the membrane directly to one of the electrodes. One example of a suitable bonding procedure involves heating a fully fluorinated sulfonic acid polymer membrane to about 160 ° C. under a pressure of 300 psi (2067 kN / m 2 ), preferably for about 90 seconds. When a lead dioxide anode electrocatalyst is used, an ion exchange membrane is secured to the cathode.

陰極は、空気に開放し、直接的な水の供給がなくてもよい。かかる陰極は、空気消極および電気浸透水およびあらゆる生成水の双方の蒸発処理に適している場合もある。しかしながら、膜はイオン伝導性となるために、濡らした状態または湿った状態で保持されなければならないので、膜に水の供給源を設けなければならない。任意選択的に、陽極側から、液体水または水蒸気のいずれかとして、水を供給してもよい。更に、陰極側から膜に逆拡散するように、液体水(空気消極なし)または水蒸気として、水を供給してもよい。更にまた、水を膜の縁またはその他の露出領域に供給して、膜内に水を「毛管浸透」即ち吸い込むことも可能である。特に、十分な量の水に乏しい用途では、膜の含水状態を制御または制限して、膜のイオン伝導率の低下を容認しつつ、水の一層効率的な使用を図るとよいことが予期される。膜に供給される水量が制限される場合、陰極における電気浸透水および生成水を膜に吸収(逆拡散)させる。   The cathode is open to the air and there may be no direct supply of water. Such cathodes may be suitable for air depolarization and evaporation treatment of both electroosmotic water and any product water. However, the membrane must be provided with a source of water because it must be kept wet or moist in order to be ion conductive. Optionally, water may be supplied from the anode side as either liquid water or water vapor. Furthermore, water may be supplied as liquid water (without air depolarization) or water vapor so as to back diffuse from the cathode side to the membrane. It is also possible to supply water to the edge of the membrane or other exposed area to “capillary penetrate” or suck water into the membrane. In particular, in applications where sufficient amounts of water are scarce, it is expected that more efficient use of water should be achieved by controlling or limiting the moisture content of the membrane to allow for a decrease in membrane ionic conductivity. The When the amount of water supplied to the membrane is limited, electroosmotic water and generated water at the cathode are absorbed (reversely diffused) by the membrane.

本発明の説明および図面の多くは、単一セルに言及するが、本発明は、積層セルおよび並置セル・アレイ双方を含む、多数のセル配列もその範囲に含む。尚、積層および並置アレイ双方は、電子伝導体および絶縁体の構成に応じて、並列または直列回路のいずれでも電子的に結合可能であることは当然認められよう。しかしながら、並置アレイ状とした複数のセルの構成は、同一面内にある複数のセル、2つ以上の平行面にある複数のセル、および曲面に沿った複数のセルを含むこともあり得る。   Although much of the description and drawings of the present invention refer to a single cell, the present invention also includes numerous cell arrays, including both stacked cells and juxtaposed cell arrays. It will be appreciated that both stacked and juxtaposed arrays can be electronically coupled in either parallel or series circuits, depending on the configuration of the electronic conductor and insulator. However, the configuration of a plurality of cells arranged in a side-by-side array may include a plurality of cells in the same plane, a plurality of cells in two or more parallel planes, and a plurality of cells along a curved surface.

電解質セルは、いずれの動度でもガスを発生することができるが、ガス濃度は、酸素内に約1重量%〜約18重量%の間のオゾンを含むことが好ましい。オゾンを生成するための完全に受動的な電解質セルは、使用地点水処理(point−of−use water treatment)や、滅菌、殺菌、除染、洗浄などのためにオゾンを必要とする機器に組み込むような、小規模な使用地点用途に最も好ましい。移動部品数を制限することによって、デバイスの初期費用を低減し、更にデバイスの故障の可能性や保守の必要性を低減する。   The electrolyte cell can generate gas at any mobility, but the gas concentration preferably includes between about 1 wt% and about 18 wt% ozone in oxygen. A fully passive electrolyte cell for generating ozone is built into equipment that requires ozone for point-of-use water treatment, sterilization, sterilization, decontamination, cleaning, etc. It is most preferable for such a small use point application. Limiting the number of moving parts reduces the initial cost of the device and further reduces the possibility of device failure and the need for maintenance.

以下に続く図面の説明では、同様の番号を用いていれば、図面間で同様の要素を示すこととする。同様の要素に同様の番号を使用するとは、同様の要素は同じ一般名および機能を有するが、同様の要素は、1つの図では、別の図における同じ要素よりも、有する機構が多い場合も少ない場合もあり得ることを意味する。同様の番号を使用することの意図は、実施形態の共通要素が図面毎に現れるに連れて、これらの記載を一層明確化することにあり、同様の番号を特定的に使用しても、説明で明示的に限定について述べていなければ、本発明の範囲を特定の機構に限定すると捉えてはならない。   In the following description of the drawings, the same elements are indicated between the drawings if the same numbers are used. Using similar numbers for similar elements means that similar elements have the same general name and function, but similar elements may have more mechanisms in one figure than in the same figure in another figure. It means that it may be less. The intent of using similar numbers is to further clarify these descriptions as common elements of the embodiments appear in each drawing, and even if specific numbers are used, the description Should not be construed as limiting the scope of the invention to any particular mechanism, unless expressly stated otherwise.

図2は、2つの電極を圧縮してイオン交換膜と接触するように配置可能な、単一電気化学セル10の分解図である。セル10は、PEM16に面する表面上に陽極電気触媒14が形成された、導電性陽極基板12を備えている。しかしながら、陽極基板は、基板および電気触媒の双方としても機能し得る。導電性陰極基板18は、PEM16に面する表面上に形成された陰極電気触媒20を有する。しかしながら、陰極基板も基板および電気触媒の双方としても機能し得る。陽極基板12、陰極基板18およびPEM16は、共に非導電性ボルト22およびナット24によって固着されている。電源26は、それぞれ、電子伝導体を通じて陽極基板12および陰極基板18と電子的に連通するように配置された正端子28および負端子29を有する。電源は、電気化学的プロセスを駆動するために必要な電位(ボルト)を供給する。本発明の一実施形態では、セル10は水の中に浸漬されているので、水が陽極電気触媒に供給され、ここで電気分解され、オゾン/酸素混合ガスを形成し、更にPEMに直接的または間接的に水を供給し、プロトンの伝導性を支援する。水素ガスまたはその他の陰極生成物が、陰極電気触媒において形成される。   FIG. 2 is an exploded view of a single electrochemical cell 10 that can be arranged to compress two electrodes into contact with an ion exchange membrane. The cell 10 includes a conductive anode substrate 12 having an anode electrocatalyst 14 formed on the surface facing the PEM 16. However, the anode substrate can also function as both a substrate and an electrocatalyst. The conductive cathode substrate 18 has a cathode electrocatalyst 20 formed on the surface facing the PEM 16. However, the cathode substrate can also function as both the substrate and the electrocatalyst. The anode substrate 12, the cathode substrate 18 and the PEM 16 are all fixed by non-conductive bolts 22 and nuts 24. Power supply 26 has a positive terminal 28 and a negative terminal 29, respectively, arranged to be in electronic communication with anode substrate 12 and cathode substrate 18 through electronic conductors. The power supply supplies the potential (volts) necessary to drive the electrochemical process. In one embodiment of the present invention, the cell 10 is immersed in water so that water is fed to the anode electrocatalyst where it is electrolyzed to form an ozone / oxygen mixture and directly into the PEM. Or indirectly supply water to support proton conductivity. Hydrogen gas or other cathode product is formed in the cathode electrocatalyst.

陽極および陰極基板は、通常では円盤、正方形または矩形の多孔質基板を生成する導電性金属またはセラミック粒子またはファイバである。基板の例として、織物フェルト、焼結金属、金属スクリーン、金属メッシュ、ファブリックなどが含まれるが、これらに限定される訳ではない。   The anode and cathode substrates are usually conductive metal or ceramic particles or fibers that produce a disc, square or rectangular porous substrate. Examples of substrates include, but are not limited to, woven felt, sintered metal, metal screen, metal mesh, fabric, and the like.

図3は、別の単一電気化学セル30の分解図であり、波形ばねまたは波状ワッシャのような分離ばね32を有し、分離ばね32は、ナット24がボルト22の頭部から外されたときのように、圧縮が緩和されたときに陽極基板/電気触媒12、14を後退させて、イオン交換膜16から遠ざける。陽極基板12は、好ましくは凹陥34を有し、該凹陥34は、動作の間に圧縮された波形ばねを受容し、波形ばねの陽極基板12との整合(センタリング)を維持し、基板12が押圧されて、PEM16との接触が絶たれる。後退距離を極力抑えることが重要な用途では、実質的に並進移動による等で、基板表面上のあらゆる点において、等しい距離だけ基板12を後退させるようにすると効果的である。   FIG. 3 is an exploded view of another single electrochemical cell 30 having a separation spring 32, such as a wave spring or wave washer, with the nut 24 removed from the head of the bolt 22. As is the case, when compression is relieved, the anode substrate / electrocatalyst 12, 14 is retracted away from the ion exchange membrane 16. The anode substrate 12 preferably has a recess 34 that receives the corrugated spring compressed during operation and maintains alignment of the corrugated spring with the anode substrate 12 so that the substrate 12 When pressed, contact with the PEM 16 is broken. In applications where it is important to minimize the receding distance, it is advantageous to retract the substrate 12 by an equal distance at any point on the substrate surface, such as by substantially translational movement.

後退即ち分離距離は、1つ以上の電極を移動させてPEMとの接触を絶てれば任意の距離でよいが、並進後退を制御することによって、アクチュエータおよび案内部材の寸法的許容度に応じて、非常に小さい後退距離、通例では約1〜5ミリメートルも可能となるが、5ミリメートルよりも長く1ミリメートルよりも短い後退も確かに可能である。本発明はいずれの特定的な分離距離にもこだわる訳ではないが、ある距離「まで」の分離と言う場合、分離したコンポーネント間の接触を回避しなければないが、連動する部品の寸法的許容度に対して可能な限り近接してもよい。   The retraction or separation distance can be any distance as long as one or more electrodes are moved away from the PEM, but depending on the dimensional tolerance of the actuator and guide member by controlling translational retraction. Thus, very small retraction distances, typically about 1-5 millimeters, are possible, but retreats longer than 5 millimeters and shorter than 1 millimeter are certainly possible. Although the present invention is not particular about any particular separation distance, when referring to separation up to a certain distance, contact between separated components must be avoided, but the dimensional tolerance of the interlocking parts As close as possible to the degree.

ここで用いる場合、「後退」という用語は、コンポーネントの分離を生じる移動を意味する。ここで用いる場合、「作動」という用語は、コンポーネント間の接触を生ずる移動を意味する。「後退」も「作動」も、明示的に押すまたは引くと述べられていない限り、分離移動または接触移動を得るために押圧力または牽引力のどちらを用いたのかについては暗示しないと見なすこととする。一般に、図面が押圧力によって得られた後退を示す場合、同じ移動を行うには、牽引力も容易に適応可能であることを認めて当然である。しかしながら、この中の多数の図面に示すように、ばねが関係する場合、ばねは引っ張った状態ではなく圧縮した状態とすることが好ましいが、必須という訳ではない。   As used herein, the term “retract” refers to movement that results in separation of components. As used herein, the term “actuation” refers to movement that causes contact between components. Neither “retraction” nor “actuation” shall be considered to be implied as to whether pressing or traction was used to obtain separate or contact movement unless explicitly stated to push or pull. . In general, when the drawing shows the retraction obtained by the pressing force, it is natural to recognize that the traction force can be easily adapted to make the same movement. However, as shown in a number of the drawings, when a spring is involved, it is preferred that the spring be in a compressed state rather than a tensioned state, but this is not essential.

図4Aは、電気化学セル・スタック40の分解図であり、図3からの1対のセル30のような2つのセルの間にバイポーラ板42が配置されている。図示のように、セルのスタックであっても、受動後退機構(例えば、セル毎に1つの波形ばね32)と、能動作動機構(例えば、ボルト22/ナット24の組み合わせ)を含むことができる。図2〜図4に示すように、ボルト22は、コンポーネントの整合を維持する案内部材の機能も果たす。   4A is an exploded view of the electrochemical cell stack 40 with a bipolar plate 42 disposed between two cells, such as a pair of cells 30 from FIG. As shown, even a stack of cells can include a passive retraction mechanism (eg, one wave spring 32 per cell) and an active actuation mechanism (eg, a bolt 22 / nut 24 combination). As shown in FIGS. 2-4, the bolt 22 also serves as a guide member that maintains component alignment.

図4Bは、陰極基板18を共通とし、電源の負端子に結合した、2つのセル43を有する電気化学セル・スタック41である。2つのセル43は、鏡像であるが、別の観点では、スタック41は図4Aのスタック40と同一である。また、共通の陽極および2つの陰極を有するセルを動作させることも可能である。   FIG. 4B is an electrochemical cell stack 41 having two cells 43 with a common cathode substrate 18 and coupled to the negative terminal of the power supply. The two cells 43 are mirror images, but from another perspective, the stack 41 is identical to the stack 40 of FIG. 4A. It is also possible to operate a cell having a common anode and two cathodes.

図5Aは、電気化学装置90の概略側面図であり、プッシュ・ロッド48に結合された陽極基板12/電気触媒14を有する。プッシュ・ロッドの配置は、電気ソレノイド・アクチュエータ92によって制御され、陽極基板12/電気触媒14を、PEM16および戻りばね46に対して圧縮し、陽極を後退させる。陰極基板18/陰極電気触媒20/PEM16のアセンブリ、およびソレノイド・アクチュエータ92は、共通ハウジング96に固着する等によって、固定関係で固着されているので、陽極の陰極/PEMに対する移動は、単にアクチュエータを作動させることによって行うことができる。セルは、水98に浸漬されて示されており、一方ソレノイド92は水の外に配置されている。以下の例で用いるように、コントローラ94は電子回路内で接続され、ソレノイド92に電力を供給する。コントローラ94は、種々の条件に基づいて、「オン」期間および周波数を指定する単純なタイマのように、多数の方法のいずれでも装置90を動作させることができる。   FIG. 5A is a schematic side view of an electrochemical device 90 having an anode substrate 12 / electrocatalyst 14 coupled to a push rod 48. The push rod placement is controlled by an electric solenoid actuator 92 to compress the anode substrate 12 / electrocatalyst 14 against the PEM 16 and return spring 46, causing the anode to retract. Since the cathode substrate 18 / cathode electrocatalyst 20 / PEM 16 assembly and solenoid actuator 92 are secured in a fixed relationship, such as by being secured to a common housing 96, the movement of the anode relative to the cathode / PEM simply causes the actuator to move. This can be done by actuating. The cell is shown immersed in water 98, while solenoid 92 is located outside the water. As used in the following example, the controller 94 is connected in an electronic circuit and supplies power to the solenoid 92. The controller 94 can operate the device 90 in any of a number of ways, such as a simple timer that specifies an “on” period and frequency based on various conditions.

図5Bは、図7Aの電気化学装置90の概略側面図であり、好ましくは予め収容されている脱イオン化水であることが好ましい、別個の脱イオン化水貯蔵器91を有する。水貯蔵器91は、導管93を通じて、ハウジング96と流体連通するように設けられている。好ましくは、水貯蔵器91は、脱イオン水を貯蔵して、高品質の水を装置に供給することによって、濾過および脱イオン化デバイスを装置に組み込む必要性を排除する。貯蔵器91における水位は、ある限度以内で制御される。何故なら、貯蔵器91は、ハウジング96内の水位が入り口導管93の高さよりも低くなったときにはいつでもハウジング96に水を追加し、気体泡がハウジング91内に入れるようにしているからである。水位の上にある頭隙95によって、オゾン/酸素ガスの水98からの相分離が可能となり、オゾン/酸素ガスはオゾン出力97を通過することができる。オゾン出力97は、好ましくは、バルブ(図示せず)を有し、ガスの引き出しを規制し、背圧を維持する。   FIG. 5B is a schematic side view of the electrochemical device 90 of FIG. 7A, having a separate deionized water reservoir 91, preferably pre-contained deionized water. The water reservoir 91 is provided in fluid communication with the housing 96 through a conduit 93. Preferably, the water reservoir 91 eliminates the need to incorporate a filtration and deionization device into the apparatus by storing deionized water and supplying high quality water to the apparatus. The water level in the reservoir 91 is controlled within a certain limit. This is because the reservoir 91 adds water to the housing 96 whenever a water level in the housing 96 falls below the height of the inlet conduit 93 so that gas bubbles can enter the housing 91. The head space 95 above the water level allows for phase separation of the ozone / oxygen gas from the water 98, allowing the ozone / oxygen gas to pass through the ozone output 97. The ozone output 97 preferably has a valve (not shown) to regulate gas withdrawal and maintain back pressure.

図5Cは、液体電解質101との接触から電極12を引き離すように構成した図5Bの電気化学装置90の概略側面図である。この装置は、イオン交換膜16を液体電解質101と交換したこと、および導管93がハウジング96と連通し、陰極18の上であるが、陽極12を電解質との接触から後退できるように十分低く電解質レベルを維持したことを除いて、図5Bと同一である。図6A〜図6Fは、電極が電解質と接触するように作動即ち配置することができる手段の一例を示す。この配置手段は、プッシュ・ロッドを受動的に後退させるばね46と組み合わされ、スイッチ投入時またはコントローラ50からのコマンド受信時に、プッシュ・ロッド48を作動させる電気ソレノイド44(図6A)、リテーナ54とカラー56との間に配されてプッシュ・ロッドの受動的後退を行うばね46を有するプッシュ・ロッド48を作動させるように整合されたカム52(図6B)、ピストン64に結合されたプッシュ・ロッド48を有する油圧または空気式アクチュエータ58であって、作動用動力流体供給導管60およびピストン64/プッシュ・ロッド48を後退させる動力流体環流導管62を含むアクチュエータ(図6C)、手動スイッチまたは電子コントローラ69を介して電源26に接続されているリード・スクリュー68、プッシュ・ロッド48およびリード・スクリュー・モータ66(図6D)、ラック70/プッシュ・ロッド48およびピニオン72(図6E、モータ/電源は図示せず)、ならびにプッシュ・ロッド48に結合され、スイッチ50を介して電源26によって活性化される圧電アクチュエータ74(図6F)を含む。他の作動または配置デバイスおよび前述のデバイスの変形も、本発明の範囲に該当するものと見なす。 FIG. 5C is a schematic side view of the electrochemical device 90 of FIG. 5B configured to separate the electrode 12 from contact with the liquid electrolyte 101. This device replaces the ion exchange membrane 16 with the liquid electrolyte 101, and the conduit 93 communicates with the housing 96 and is above the cathode 18, but low enough so that the anode 12 can be retracted from contact with the electrolyte. Except for maintaining the level, it is the same as FIG. 5B. 6A-6F show an example of means that can be actuated or placed so that the electrodes are in contact with the electrolyte. This arrangement means is combined with the spring 46 to passively retract the push rod, when a command is received from the switch-on or the controller 50, gas collector Ru is created moving the push rod 48 solenoid 44 (FIG. 6A), Li retainer 54 and cams 52 which are aligned to actuate the push rod 48 which is disposed between the collar 56 has a spring 46 for passive retraction of the push rod (Fig. 6B), connected to the piston 64 Hydraulic or pneumatic actuator 58 with a push rod 48 that is actuated, including an actuating power fluid supply conduit 60 and a power fluid return conduit 62 that retracts the piston 64 / push rod 48 (FIG. 6C), manual A lead script connected to the power supply 26 via a switch or electronic controller 69. 68, push rod 48 and lead screw motor 66 (FIG. 6D), rack 70 / push rod 48 and pinion 72 (FIG. 6E, motor / power supply not shown), and coupled to push rod 48 , Including a piezoelectric actuator 74 (FIG. 6F) that is activated by the power supply 26 via the switch 50. Other actuation or placement devices and variations of the aforementioned devices are also considered to be within the scope of the present invention.

図7Aおよび図7Bは、電気の印加中にPEMと接触するように電極(図示せず)を固着する位置にプッシュ・ロッド48を締着する(latch)デバイスの一例の概略図である。図7Aでは、プッシュ・ロッド48は、電気の印加時に締着ソレノイド80の延長シャフト78を受容するように設計された締着切欠76を含む。電力がない場合、または低セル電圧のような何らかの待機事象の発生時には、ソレノイドは緩和し、戻りばね81はシャフトを切欠から引き出す。もはや加えられる作動力82がない場合、ばね46がプッシュ・ロッドを後退させる。図7Bでは、プッシュ・ロッド48は電磁アーマチャ83に結合されており、電磁アーマチャ83は、スイッチ50を介して電源26に結合されている電磁コイル・ラッチ84に選択的に固着することができる。電磁ラッチ84の開放時に、ばね46はプッシュ・ロッドを後退させる。   7A and 7B are schematic views of an example of a device that latches the push rod 48 in a position to secure an electrode (not shown) in contact with the PEM during application of electricity. In FIG. 7A, push rod 48 includes a fastening notch 76 designed to receive an extension shaft 78 of fastening solenoid 80 upon application of electricity. In the absence of power or in the event of some standby event such as a low cell voltage, the solenoid relaxes and the return spring 81 pulls the shaft out of the notch. The spring 46 retracts the push rod when there is no more applied force 82 applied. In FIG. 7B, the push rod 48 is coupled to an electromagnetic armature 83 that can be selectively secured to an electromagnetic coil latch 84 that is coupled to the power supply 26 via a switch 50. Upon release of the electromagnetic latch 84, the spring 46 retracts the push rod.

図6A〜図6Fならびに図7Aおよび図7Bでは、プッシュ・ロッドの移動を遂行するために、プッシュ・ロッドの移動を生じさせる要素および妨げる要素は、ハウジングまたは電気化学装置の他の固定構造に固着するとよいことは認められよう。   In FIGS. 6A-6F and FIGS. 7A and 7B, in order to effect the movement of the push rod, the elements that cause and prevent the movement of the push rod are secured to the housing or other securing structure of the electrochemical device. It will be appreciated.

図8は、実験的な電気化学セル100の設定の概略側面図であり、ボルト102およびばね104のような調節可能な負荷と、この負荷を測定しメータ108によって負荷の表示または記録を行うロード・セル106を有する。オゾン生成効率は、電極およびPEM間の圧縮力の関数として関しすることができる。最適なセル性能に重要であると考えられるのは、単位面積当たりの圧縮力である。   FIG. 8 is a schematic side view of an experimental electrochemical cell 100 setup, with an adjustable load such as bolt 102 and spring 104, and a load that measures this load and displays or records the load with meter 108. It has a cell 106. Ozone generation efficiency can be related as a function of compressive force between the electrode and the PEM. It is the compressive force per unit area that is considered important for optimal cell performance.

図9は、電気化学装置110の概略側面図であり、水貯蔵器またはハウジング112と、ダイアフラム114のような封止部材を有し、配置部材116に結合されたプッシュ・ロッド端部48aの流体封止移動を可能にする。配置部材116は、水および陽極12に結合されたプッシュ・ロッド端部48bから隔離されている。任意選択的に、封止部材は、ピストン・リング、シャフト・シールなどとするとよい。   FIG. 9 is a schematic side view of the electrochemical device 110 with a water reservoir or housing 112 and a fluid at the push rod end 48a having a sealing member, such as a diaphragm 114, coupled to the placement member 116. Allows sealing movement. Placement member 116 is isolated from push rod end 48b coupled to water and anode 12. Optionally, the sealing member may be a piston ring, a shaft seal, or the like.

図示のように、陰極18およびPEM16は、上面および底面においてハウジング112のフロア118および内壁120に固定的に固着されている。陽極12は、案内部材によって、陰極/PEMと整合した状態に維持されている。案内部材は表面122,124を含み、陽極12を中心とした円周上にあることが好ましい。また、装置110は、陽極チャンバ128から隔離された陽極チャンバ126も有するように示されている。この隔離の効果の1つは、陽極ガスの陰極ガスからの分離である。しかしながら、隔離および陽極から陰極への水の電気浸透流の結果として、装置110内に導管129を有し、陰極チャンバ128から陽極チャンバ126に、ガスを混合せずに水の環流を可能とするようにすると有効である。   As shown, the cathode 18 and the PEM 16 are fixedly secured to the floor 118 and the inner wall 120 of the housing 112 at the top and bottom surfaces. The anode 12 is maintained in alignment with the cathode / PEM by the guide member. The guide member includes surfaces 122 and 124 and is preferably on a circumference around the anode 12. The apparatus 110 is also shown to have an anode chamber 126 that is isolated from the anode chamber 128. One effect of this isolation is the separation of the anode gas from the cathode gas. However, as a result of isolation and electroosmotic flow of water from the anode to the cathode, there is a conduit 129 in the device 110 that allows the water to circulate from the cathode chamber 128 to the anode chamber 126 without mixing gases. This is effective.

任意選択的に、本発明は、廃棄水素および/またはオゾンを分解することができる、独特のガス分解システムを提供する。水素は酸素(または空気)と混合され、熱を生成する水素分解触媒に移送される。次に、余分な酸素を含む高温ガスは、廃棄オゾンと組み合わされて、下流のオゾン分解触媒に移送される。オゾン発生器は連続的に水素を生成するので、水素分解からの熱がオゾン触媒を高温に維持し、触媒を一層活性化させ、連続的にオゾン分解物を乾燥させる。このように、オゾン分解触媒は、オゾン分解準備状態で維持されている。あるいは、水素分解は、高温の熱を供給することができ、これを他の無関係のプロセス、宅内温水暖房などに用いることも可能である。   Optionally, the present invention provides a unique gas decomposition system capable of decomposing waste hydrogen and / or ozone. Hydrogen is mixed with oxygen (or air) and transferred to a hydrogenolysis catalyst that generates heat. The hot gas containing excess oxygen is then combined with the waste ozone and transferred to the downstream ozonolysis catalyst. Since the ozone generator continuously produces hydrogen, the heat from the hydrogen decomposition maintains the ozone catalyst at a high temperature, further activates the catalyst, and continuously dries the ozone decomposition product. Thus, the ozonolysis catalyst is maintained in the ozonolysis preparation state. Alternatively, hydrogenolysis can provide high temperature heat, which can be used for other unrelated processes, home hot water heating, and the like.

図10Aは、別の電気化学セル即ち装置130の概略側面図であり、油圧作動式陽極を有する。この場合、動力流体は、プロセス水または別の流体とすることができる。陽極12は、プッシュ・ロッド48に結合されており、プッシュ・ロッド48は対向端にピストン132を有する。ピストン132は、ピストン頭隙134に入る流体によって作動し、
戻りばね136を圧縮し、PEM16と圧縮接触するように陽極を配置する。本装置は、プッシュ・ロッド48の周囲に取り付けられた任意のダイアフラム138を有し、プロセス水の隔離を維持している。プロセス水は、通路140を通じて入り、通路142を通じて動力流体から生成されたガスと共に流出する。
FIG. 10A is a schematic side view of another electrochemical cell or device 130 having a hydraulically actuated anode. In this case, the power fluid can be process water or another fluid. The anode 12 is coupled to a push rod 48 that has a piston 132 at the opposite end. Piston 132 is actuated by fluid entering piston head space 134;
The return spring 136 is compressed and the anode is placed in compression contact with the PEM 16. The apparatus has an optional diaphragm 138 attached around the push rod 48 to maintain process water isolation. Process water enters through passage 140 and exits with gas generated from the power fluid through passage 142.

陽極18は、当該陽極に固着されたPEM16と共に固定されている。注記すべきは、陰極周囲に陰極チャンバも貯蔵器もなく、陰極が空気に対して開放であることであり、これを「乾燥」と呼ぶこともできる。開放即ち露出陰極は、空気の消極、および電気浸透水およびあらゆる生成水の双方の蒸発廃棄に適当であり得る。したがって、陰極への直接的な水の供給はない。   The anode 18 is fixed together with the PEM 16 fixed to the anode. It should be noted that there is no cathode chamber or reservoir around the cathode and the cathode is open to air, which can also be referred to as “drying”. An open or exposed cathode may be suitable for air depolarization and evaporative disposal of both electroosmotic water and any product water. Therefore, there is no direct water supply to the cathode.

図10Bは、2台の図10Aによる電気化学セル/装置と、その間にある共通陰極の概略側面図である。共通陰極18は、図4Bにおけるのと同様、電源26に結合されている。しかしながら、図10Bの装置には、2つの可動陽極12があり、2つの配置および後退手段に結合されている。この手段は、図10Aの個々の手段と同様に動作する。2つの手段は、同一または異なる動力流体で作動させることができ、更に同じ時点または異なる時点で作動および後退させることもできる。2つの可動電極は、多数の特性のいずれかが、互いに異なることが考えられる。その特性とは、例えば、触媒負荷、作用領域の量、生成される生成物の種類または濃度である。任意選択的に、2つの電極を独立して動作させ、一方の陽極を18重量%のオゾン溶液を生成し調理台を消毒するために用い、他方の陽極を2重量%のオゾンを生成し皮膚の火傷を洗浄するために用いるというように、異なる仕様に対して最適化した解決策を用意することもできる。   FIG. 10B is a schematic side view of two electrochemical cells / devices according to FIG. 10A and a common cathode in between. The common cathode 18 is coupled to the power supply 26 as in FIG. 4B. However, the apparatus of FIG. 10B has two movable anodes 12 coupled to two arrangements and retracting means. This means operates similarly to the individual means of FIG. 10A. The two means can be operated with the same or different power fluids and can also be activated and retracted at the same or different times. It is conceivable that the two movable electrodes have different characteristics from each other. The characteristics are, for example, catalyst loading, amount of working area, type or concentration of product produced. Optionally, the two electrodes are operated independently, one anode is used to produce an 18 wt% ozone solution and disinfect the cooktop, and the other anode is used to produce 2 wt% ozone and the skin. It is also possible to provide a solution optimized for different specifications, such as used to clean the burns.

図11は、別の電気化学装置150の概略側面図であり、プロセス水貯蔵器152と、プロセス水153を電気化学セル(陽極基板12、PEM16、陰極基板18)および内部油圧アクチュエータに送出するポンプ154を有する。油圧アクチュエータは、ピストン132をプロセス水153で作動させることを除いて、図10のそれと同様である。また、この装置には、とりわけ、粒子、溶解有機化合物および重金属(オゾン分解触媒としても作用する)を除去するフィルタ154、好ましくは炭素フィルタ、流量コントローラ156(流量制限オリフィス等)、プロセス水153から溶解イオンを除去する脱イオン樹脂ベッド158、脱鉛ユニット160(ゼオライト、アルミナ、シリカ鉛イオンまたはコロイド状鉛種を結合または吸着することが知られているその他の材料のコラム等)、ベンチュリ162、および背圧制御オリフィスが設けられている。尚、フィルタ154、流量コントローラ156、および脱イオン樹脂ベッド158の順序は制約されないことは、当然認められよう。   FIG. 11 is a schematic side view of another electrochemical device 150, a process water reservoir 152 and a pump that delivers process water 153 to the electrochemical cells (anode substrate 12, PEM 16, cathode substrate 18) and internal hydraulic actuators. 154. The hydraulic actuator is similar to that of FIG. 10 except that the piston 132 is operated with process water 153. The apparatus also includes, among other things, a filter 154 that removes particles, dissolved organic compounds, and heavy metals (also acting as an ozone decomposition catalyst), preferably a carbon filter, a flow controller 156 (such as a flow restriction orifice), and process water 153. A deionized resin bed 158 to remove dissolved ions, a delead unit 160 (such as a column of zeolite, alumina, silica lead ions or other materials known to bind or adsorb colloidal lead species), a venturi 162, And a back pressure control orifice. It should be appreciated that the order of the filter 154, flow controller 156, and deionized resin bed 158 is not constrained.

動作において、貯蔵器152からの水153が、貯蔵器排出導管165を通じて、ポンプ154の入り口に供給される。ポンプ排出導管166は、高圧水を供給し、ピストン動力流体チャンバ134に送出するか、あるいはベンチュリ162および背圧制御オリフィス164を通って貯蔵器152に戻す。高圧プロセス水は、図10におけるようにピストンを作動させるが、プロセス水は、その通路にある炭素フィルタ、流量コントローラ、および脱イオン樹脂ベッドを通過して、陽極チャンバに至る。脱イオン水は、陽極12における電気分解、およびPEM16を介して陰極18に至るプロトン伝導率を支援する。陰極19に至る電気浸透水は、再使用または破棄(即ち、ドレインに廃棄するか、または蒸発させる)ことができる。しかしながら、陽極において使用されない水はオゾン化し、水は、排出導管167を通ってオゾン/酸素ガス流と共に陽極チャンバから漏れ出し、脱鉛ユニット160を通過する。脱鉛ユニット160の下流では、オゾン化水およびオゾン/酸素ガス流はベンチュリに引き込まれ、貯蔵器152に環流され、オゾン濃度が高められる。   In operation, water 153 from reservoir 152 is supplied to the inlet of pump 154 through reservoir discharge conduit 165. Pump discharge conduit 166 supplies high pressure water and delivers it to piston powered fluid chamber 134 or returns to reservoir 152 through venturi 162 and back pressure control orifice 164. The high pressure process water activates the piston as in FIG. 10, but the process water passes through the carbon filter, flow controller, and deionized resin bed in its path to the anode chamber. The deionized water supports electrolysis at the anode 12 and proton conductivity through the PEM 16 to the cathode 18. The electroosmotic water that reaches the cathode 19 can be reused or discarded (i.e., discarded to the drain or evaporated). However, water that is not used at the anode is ozonated and the water leaks out of the anode chamber along with the ozone / oxygen gas flow through the exhaust conduit 167 and passes through the delead unit 160. Downstream of the delead unit 160, the ozonated water and ozone / oxygen gas streams are drawn into the venturi and circulated to the reservoir 152 to increase the ozone concentration.

図11の装置150のような電気化学装置の起動は、多くの方法で進めることができるが、起動は、(1)プロセス水を水貯蔵器に導入し、(2)第1電極と第2電極との間に電圧を印加し、(3)水ポンプをオンにし、(4)可動電極を電解質と接触するように配置することを含み、この述べた順序にすることが最も好ましい。   Activation of an electrochemical device, such as device 150 of FIG. 11, can proceed in a number of ways, including (1) introducing process water into a water reservoir, and (2) first electrode and second Most preferred is the order described, including applying a voltage between the electrodes, (3) turning on the water pump, and (4) placing the movable electrode in contact with the electrolyte.

図12は、図11の電気化学装置150の概略側面図であり、炭素フィルタ154および脱イオン化ベッド158の位置が貯蔵器の排出導管165に移されている。また、流量制御オリフィス156が、動力流体チャンバ134と陽極チャンバとの間に残されており、ピストン132に作用する差圧を維持または増強する。また、戻りばね136を引っ張った状態で配置可能であることも示されている。   FIG. 12 is a schematic side view of the electrochemical device 150 of FIG. 11 with the carbon filter 154 and deionization bed 158 positions transferred to the reservoir discharge conduit 165. A flow control orifice 156 is also left between the power fluid chamber 134 and the anode chamber to maintain or enhance the differential pressure acting on the piston 132. It is also shown that the return spring 136 can be placed in a pulled state.

図13A〜図13Cは、デバイスの個々のユーザに、ベッドが消耗された程度を示す色変化を外部に表示するように構成された脱イオン化ベッドの概略図である。イオン交換時に色が変化する適当な脱イオン化材には、MBD−12およびMBD−13自己指示混合ベッド樹脂(ニュー・ジャージー州、チェリー ヒル(Cherry Hill)のレジンテック インコーポレーテッド(Resintech,Inc)から入手可能)、およびIONAC NM−65指示混合ベッド樹脂(ニュー・ジャージー州、バーミンガム(Birmingham)のシボロン ケミカル インコーポレーテッド(Sybron Chemicals Inc.)から入手可能)が含まれる。このような色変化は、脱イオン化材内、その上、またはその周囲に指示染料(indicator dye)が存在することによると考えられる。脱イオン化ベッドを透明な覗き窓に隣接して配置するには多くの方法が可能であるが、脱イオン化ベッドが、高いアスペクト比(即ち、長さが幅の何倍か)を有する細長いカラムを形成することが好ましい。このようにすると、カラムの入り口に最も近い脱イオン化材が最初にイオン交換を行い、その上流側の材料が完全に交換されるまでは、下流の材料はあまり用いられない。したがって、いずれの一時点においても脱イオン化を実行するカラムの領域は明確に区別され、この領域は、材料が使用されるに連れて、カラムの長さに沿って移行する。用いる脱イオン化材料は色変化指示を有するので、カラムに沿って色変化も移行する。カラムの複数のセグメントを直列に離間させ、これらが覗き窓を通過するようにカラムを構成することによって、表示を設け、迅速に使用状態を指示することが可能となる。好ましくは、覗き窓には、「脱イオンベッド交換」指令を、後半のカラムセグメントの1つに隣接して付け、この覗き窓を通じて見えるようにしておく。前述の構成は、脱イオン化ベッドに関して説明したが、同様の構成、色指示、および覗き窓を用いると、脱鉛ユニットも準備することができる。   13A-13C are schematic views of a deionized bed configured to externally display color changes to the individual users of the device, indicating the extent to which the bed has been depleted. Suitable deionized materials that change color upon ion exchange include MBD-12 and MBD-13 self-indicating mixed bed resins (Resintech, Inc., Cherry Hill, NJ). Available), and IONAC NM-65 directed mixed bed resin (available from Symbron Chemicals Inc., Birmingham, NJ). Such a color change is believed to be due to the presence of an indicator dye in, on or around the deionized material. Many methods are possible to place the deionized bed adjacent to the transparent viewing window, but the deionized bed has an elongated column with a high aspect ratio (ie, several times the width). It is preferable to form. In this way, the deionized material closest to the column inlet performs ion exchange first, and less downstream material is used until the upstream material is completely replaced. Thus, the region of the column that performs deionization at any one time is clearly distinguished and this region moves along the length of the column as the material is used. Since the deionized material used has a color change indication, the color change also moves along the column. A plurality of segments of the column are separated in series, and the column is configured so that they pass through the viewing window, so that a display can be provided and the state of use can be quickly indicated. Preferably, the viewing window is provided with a “deionized bed exchange” command adjacent to one of the latter column segments so that it can be seen through the viewing window. Although the foregoing configuration has been described with reference to a deionization bed, a deleading unit can also be prepared using the same configuration, color indication, and viewing window.

図13Aにおいて、側面図が示すのは、細長い蛇行パターンに配された脱イオン化カラム170であり、これは、入り口172、出口174、それらの間に配された脱イオン化材176、および蛇行の一端に隣接する覗き窓178を有する。図13Bは、カラム170の端面図であり、覗き窓によって形成される表示を示す。例えば、個々のユーザは、現在のカラムの2/5が消費されており、カラムの4/5が消費されたときにカラムを交換し、イオンの通過を防止しなければ、電解質またはPEMにイオンが到達しこれを損傷する虞れがあることを素早く知らせる場合がある。表示は、覗き窓の区分アレイとして示されているが、端部に沿って連続的な覗き窓を有することも同等に適している。図13Cは、螺旋状に配された別のカラムの側面図であり、入り口172、出口174、脱イオン化材料176、およびカラムの下流側セグメント全域におよぶ覗き窓178を有する。ここでは、セグメントはカラムの等しい分数を表すが、表示がカラムを新たなカラムと交換するときを個々のユーザに指示しても、有効である。   In FIG. 13A, a side view shows a deionization column 170 arranged in an elongated serpentine pattern, which includes an inlet 172, an outlet 174, a deionization material 176 disposed therebetween, and one end of the serpentine. A viewing window 178 adjacent to. FIG. 13B is an end view of the column 170 showing the display formed by the viewing window. For example, if an individual user consumes 2/5 of the current column and replaces the column when 4/5 of the column is consumed and does not prevent the passage of ions, the ion or ion in the electrolyte or PEM May quickly reach you and may damage it. Although the display is shown as a segmented array of viewing windows, it is equally suitable to have a continuous viewing window along the edges. FIG. 13C is a side view of another column arranged in a spiral, with an inlet 172, outlet 174, deionized material 176, and a viewing window 178 spanning the entire downstream segment of the column. Here, the segment represents an equal fraction of the column, but it is still valid if the display indicates to the individual user when to replace the column with a new column.

図14は、貯蔵器152からのプロセス水を用いる代わりに、貯蔵器191からの脱イオン化水を用いる電気化学装置の概略側面図である。図7Bおよび図7Cと同様、予め収容した脱イオン化水91を用いることによって、陽極およびPEMを汚染する虞れを解消
し、濾過および脱イオン化デバイスを装置内では不要とする。ここでは、プロセス水153はポンプ154によって加圧され、逆にピストン132に送出され、可動電極を作動させ、ベンチュリ162を通過して、オゾン・ガスをプロセス水内に引き込む。好ましくは、陽極チャンバには水導管93を設けて、脱イオン化水の水位がオゾン排出ポート168よりも常に下に来るようにする。また、陽極チャンバが十分な頭隙を有し、オゾン/酸素ガスの水からの相分離を可能とし、気相のみがポート169を通じてベンチュリ162に引き込まれるようにする。プッシュ・ロッド48周囲には、シールまたはダイアフラムを設け、ピストンに作用する加圧プロセス流体が陽極チャンバに流入するのを防止する。図示のように、ダイアフラム171は、陽極チャンバの上限を規定する。
FIG. 14 is a schematic side view of an electrochemical device that uses deionized water from reservoir 191 instead of using process water from reservoir 152. Like FIG. 7B and FIG. 7C, by using the pre-contained deionized water 91, the possibility of contaminating the anode and the PEM is eliminated, and a filtration and deionization device is not required in the apparatus. Here, the process water 153 is pressurized by the pump 154 and conversely delivered to the piston 132 to actuate the movable electrode and pass through the venturi 162 to draw ozone gas into the process water. Preferably, the anode chamber is provided with a water conduit 93 so that the deionized water level is always below the ozone discharge port 168. Also, the anode chamber has sufficient headspace to allow phase separation of ozone / oxygen gas from the water so that only the gas phase is drawn into the venturi 162 through the port 169. A seal or diaphragm is provided around the push rod 48 to prevent pressurized process fluid acting on the piston from entering the anode chamber. As shown, the diaphragm 171 defines the upper limit of the anode chamber.

図18A〜図18Cは、シャフトに結合された後退可能電極の斜視図であり、電極は、電極面全域における電流の分配および収集を改善するように変更されている。図18Aは、好ましくは一組の好ましくは金属の導電性リブ206を有する電極200を示す。リブ206は、陽極基板204の背面上において放射パターンに形成され、電極基板204の面全域における、導電性シャフト202からの電流の分配および収集を改善する。この設計によって、陽極基板の表面領域を遮ったり、多孔質陽極基板の厚さを増大させることなく、電流の分配を改善する。図18Bは、シャフト202から放射状に配された、完全に埋め込み型の導電性部材208を1組有する電極210を示す。図18Aおよび図18B双方では、導電性部材206、208は多孔質基板204内に形成されている。好ましくは、導電性部材を金属粉体内に配置し、かなりの圧力下で共に圧着し、「素地(green body)」を形成する。次に、素地を炉に移送し、基板204を焼結する。図18Cは、電極220を示すが、シャフト222に結合されている円錐状基板224は、前述のもの程好ましくない。基板の厚さが増大したことによって、陽極面全域における電流分
配および収集も増加する。生憎、厚さの増大によって、陽極反応物および生成物が拡散しなければならない距離も長くなる。
実施例1
多孔質チタン基板、即ち、チタン織布片(1インチ当たり150×150、透明、0.0027”(0.0686mm)線径、斜文織、35.4%開放面積、ユニーク・ワイヤーウェーブ(Unique Wire Weave)、ヒルサイド(Hillside)、NJ07205)を予め処理し、続いてβ−二酸化鉛を電気メッキした。複数のこれらβ−二酸化鉛で被覆されたチタン布を、市販のプロトン交換ポリマ膜(デラウェア州19898 ウィルミントン所在イー.アイ.デュポン ド ネムール アンド カンパニー(E.I. duPont de Nemours and Company、Wilmington、DE 1989)から、NAFION(登録商標)という商品名で販売されている)を組み込んだ電気化学セルにおいて用いた。これは、パーフルオロスルホン酸ポリマ電極である。場合によっては、β−二酸化鉛を被覆したチタン布を、単に電気化学セルの端板同士を締結する手段によって、プロトン交換膜サンプルの一面に対して機械的に押圧した。別の場合には、β−二酸化鉛を被覆したチタンの布を、プロトン交換膜の同様のサンプルの一面上に熱圧した。熱圧では、100℃に予備加熱したホット・プレスのプラテン間に、陽イオン交換、β−二酸化鉛を被覆したチタン布陽極電極、および膜のいずれかの面上にあるプラチナ指示炭素触媒炭素布ガス拡散電極から成る狭持構造を配置し、約100psi(689kN/m)で圧着する。次に、プラテンの温度を120℃に上げ、2500psi(17237kN/m)の圧力を90秒間かける。
18A-18C are perspective views of retractable electrodes coupled to the shaft, with the electrodes being modified to improve current distribution and collection across the electrode surface. FIG. 18A shows an electrode 200 that preferably has a set of preferably metal conductive ribs 206. Ribs 206 are formed in a radiating pattern on the back surface of the anode substrate 204 to improve the distribution and collection of current from the conductive shaft 202 across the surface of the electrode substrate 204. This design improves current distribution without blocking the surface area of the anode substrate or increasing the thickness of the porous anode substrate. FIG. 18B shows an electrode 210 having a set of fully embedded conductive members 208 arranged radially from the shaft 202. In both FIG. 18A and FIG. 18B, the conductive members 206, 208 are formed in the porous substrate 204. Preferably, the conductive members are placed in a metal powder and crimped together under considerable pressure to form a “green body”. Next, the substrate is transferred to a furnace, and the substrate 204 is sintered. FIG. 18C shows the electrode 220, but the conical substrate 224 coupled to the shaft 222 is less preferred than that described above. Increased substrate thickness also increases current distribution and collection across the anode surface. Unfortunately, the increase in thickness also increases the distance that the anode reactant and product must diffuse.
Example 1
Porous titanium substrate, ie, titanium woven fabric piece (150 × 150 per inch, transparent, 0.0027 ″ (0.0686 mm) wire diameter, oblique weave, 35.4% open area, unique wire wave (Unique) Wire Weave, Hillside, NJ07205), followed by electroplating of β-lead dioxide. A plurality of these β-lead dioxide coated titanium cloths were made into commercially available proton exchange polymer membranes (Delaware). Electricity incorporated with EI du Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE 1989, Wilmington, USA, under the trade name NAFION® Used in chemical cells This is a perfluorosulfonic acid polymer electrode, and in some cases, a titanium cloth coated with β-lead dioxide is simply applied to one side of the proton exchange membrane sample by means of fastening the end plates of the electrochemical cell together. In another case, a titanium cloth coated with β-lead dioxide was hot-pressed on one side of a similar sample of a proton exchange membrane, where it was preheated to 100 ° C. A sandwich structure consisting of a cation exchange membrane , β-lead dioxide- coated titanium cloth anode electrode, and a platinum-indicating carbon catalyst carbon cloth gas diffusion electrode on either side of the membrane , between hot press platens. Place and crimp at about 100 psi (689 kN / m 2 ) Next, raise the platen temperature to 120 ° C. and apply 2500 psi (17237 kN / m 2 ) pressure for 90 seconds.

いずれかの方法で陽イオン交換ポリマ膜に接着したβ−二酸化鉛被覆チタン布電極を含む電気化学セルの性能を試験する際、発生するオゾン/酸素ガス流におけるオゾン・ガス含有量が、初期値の高い12〜15wt%から約1〜2wt%の値に、約12〜24時間の間に減少することがわかった。更に、セル電圧も、初期の約4〜6ボルトという高い値から、約1〜2ボルトの値に減少した。加えて、陽極基板/陽極電解質材料として、β−二酸化鉛被覆チタン布を含有する試験済み電気化学セルを取り除く際に、プロトン交換ポリマ膜のβ−二酸化鉛電解質層と接触する面の領域に、乳白色の液体物質が覆われていた。プラチナ支持炭素陽極電解質層と接触するプロトン交換ポリマ膜の表面は、膜内の材料の樹枝状即ちフラクタル状成長を呈していた。 When testing the performance of an electrochemical cell comprising a β-lead dioxide coated titanium cloth electrode bonded to a cation exchange polymer membrane by either method, the ozone gas content in the generated ozone / oxygen gas flow is the initial value. From a high 12-15 wt% to a value of about 1-2 wt% was found to decrease in about 12-24 hours. In addition, the cell voltage also decreased from an initial high value of about 4-6 volts to a value of about 1-2 volts. In addition, when removing a tested electrochemical cell containing a β-lead dioxide coated titanium cloth as the anode substrate / anode electrolyte material, in the region of the proton exchange polymer membrane in contact with the β-lead dioxide electrolyte layer, Milky white liquid material was covered. The surface of the proton exchange polymer membrane in contact with the platinum-supported carbon anode electrolyte layer exhibited dendritic or fractal growth of the material within the membrane.

プロトン交換ポリマ膜の表面上におけるこれらの物質の性質は判定されなかったが、これらの電気化学セルを電気化学オゾン発生について検査する際に、次のプロセスが行われた。各チタン織布サンプルを構成する個々の撚り線に、円筒形状の撚り線の周囲全体にわたって、二酸化鉛を電気メッキした。しかしながら、β−二酸化鉛被覆チタン布サンプルをプロトン交換膜サンプルの表面に接着したとき、端板を締結する際の機械的な圧着にしろ、または熱圧にしろ、β−二酸化鉛電解質層の表面領域全体の一部のみが、プロトン交換ポリマ膜材料と接触し、その内部に埋め込まれただけであった。   Although the nature of these materials on the surface of the proton exchange polymer membrane was not determined, the following process was performed when inspecting these electrochemical cells for electrochemical ozone generation. The individual strands that make up each titanium woven fabric sample were electroplated with lead dioxide over the entire circumference of the cylindrical strands. However, when the β-lead dioxide-coated titanium cloth sample is bonded to the surface of the proton exchange membrane sample, the surface of the β-lead dioxide electrolyte layer, whether mechanically crimped when the end plate is fastened or by thermal pressure, Only a portion of the entire area was in contact with and embedded in the proton exchange polymer membrane material.

かかる陽極電極基板/電解質層を内蔵する電気化学セルを動作させると、プロトン交換ポリマ膜と接触していないβ−二酸化鉛電解質層の一部が、電気化学的オゾン発生条件下において陽極表面に存在する高酸性環境の存在のために、ゆっくりと溶解した。溶解したβ−二酸化鉛の一部は、pb2+陽イオンの形態で、電界を印加された状態で、陽イオン交換ポリマ膜を通過して陰極の表面まで移動し、金属鉛原子に還元された。徐々に、鉛金属の原子ずつの積み重ねによって、陰極の表面から、プロトン導通チャネルを通じて、電気体積鉛金属の樹枝状成長が発生した。プロトン導通チャネルは、プロトン交換ポリマ膜内において、陽極の表面まで存在することが知られている。最終的に、プロトン交換ポリマ膜は、電気化学的オゾン発生の時間が長くなるに連れて、混合イオン/電子伝導体となり、電子伝導特性が向上した。これは、電気分解の時間が長くなる程、セル電圧の減少が観察されることの理由である。 When an electrochemical cell containing such an anode electrode substrate / electrolyte layer is operated, a part of the β-lead dioxide electrolyte layer not in contact with the proton exchange polymer membrane is present on the anode surface under electrochemical ozone generation conditions. Slowly dissolved due to the presence of a highly acidic environment. A part of the dissolved β-lead dioxide was transferred to the surface of the cathode through the cation exchange polymer membrane in the form of pb 2+ cation and applied with an electric field, and was reduced to metal lead atoms. . Gradually, the accumulation of lead metal atoms resulted in dendritic growth of electrovolume lead metal from the surface of the cathode through the proton conducting channel. Proton conducting channels are known to exist in the proton exchange polymer membrane up to the surface of the anode. Finally, the proton exchange polymer membrane became a mixed ion / electron conductor as the time of electrochemical ozone generation increased, and the electron conduction characteristics improved. This is the reason why the cell voltage decreases as the electrolysis time increases.

チタン織布は、精細な円筒状チタン・ワイヤで構成されているので、後のこれらβ−二酸化鉛被覆チタン・ワイヤがプロトン交換ポリマ膜の表面と接触することによって、局在的な接触点が膜の表面内部に、特に、金網の重複に対応する点において、埋め込まれることになった。このように、種々の検査を実行する際に電気化学セルに印加した平均電流密度は平均1Acm−2であるが、これらの接触点に印加される局在的な実電流密度は約5〜10Acm−2になり得る可能性は非常に高い。加熱効果(高い局在的電流密度に伴う)と高酸化環境(オゾンの発生に伴う)との組み合わせによって、プロトン交換膜の部分的な劣化が生じた。これは、β−陽極二酸化鉛電解質層と接触するプロトン交換ポリマ膜の表面上における乳白色液体物質の観察によって、保持することが目的である。あらゆる
場合において、β−二酸化鉛被覆チタン布陽極を伴う電気科学検査を実行するには、脱イオン化水を用い、貯蔵器と電気科学セルとの間で循環させ、水の温度を30±3℃に維持した。
実施例2
別の種類の多孔質チタン基板、即ち、焼結多孔質チタン基板を、規則的な形状のチタン粉体(例えば、球体)または不規則な形状のチタン粒子を高温および高圧下で、不活性ガス環境において焼結して形成し、用いた。これらは、それぞれ、オハイオ州45215シンシナチ所在のアストロ メット インコーポレーテッド(Astro Met Inc.Cincinati,OH45215)(100−80/120および100−45/60;5.5”×11”×0.050”(140×1.27mm)シート)およびコネチカット州06032ファーミントン所在のモット コーポレーション(Mott Corporation,Farmington、CT06032)(Mott40ミクロンおよびMott20ミクロン)から入手可能である。焼結多孔質チタン基板を予め加熱し、続いて前述のようにβ−二酸化鉛を電気メッキして、チタン布サンプルを得た。電気科学セルの端板同士を締結する際に、β−二酸化鉛被覆焼結多孔質チタン基板を、プロトン交換ポリマ膜(NAFION(登録商標))のサンプルの一方の面に対して機械的に押圧した。これらの検査は、β−二酸化鉛被覆チタン布陽極電極基板に利用したのと同じ条件で行われた。多孔質チタン基板の厚さは、0.040”〜0.075”(1.02×1.91mm)の範囲であり、これらの基板は非常に平坦な平行面を有することが観察された。焼結多孔質チタン基板の一方の表面だけにβ−二酸化鉛を堆積し、各基板の表面全体を被覆する均一の皮膜を形成した。
Since the titanium woven fabric is composed of fine cylindrical titanium wires, the subsequent contact of these β-lead dioxide coated titanium wires with the surface of the proton exchange polymer membrane results in local contact points. It was to be embedded inside the surface of the membrane, particularly at points corresponding to the overlap of the wire mesh. Thus, the average current density applied to the electrochemical cells when performing the various tests is 1 Acm −2 on average, but the local actual current density applied to these contact points is about 5-10 Acm. The possibility of becoming -2 is very high. The combination of the heating effect (with high local current density) and the highly oxidizing environment (with ozone generation) resulted in partial degradation of the proton exchange membrane. This is intended to be retained by observation of milky white liquid material on the surface of the proton exchange polymer membrane in contact with the β-anode lead dioxide electrolyte layer. In all cases, to perform an electrical test with a β-lead dioxide coated titanium cloth anode, deionized water is used, circulated between the reservoir and the electrical science cell, and the water temperature is 30 ± 3 ° C. Maintained.
Example 2
Another type of porous titanium substrate, ie sintered porous titanium substrate, regular shaped titanium powder (eg spheres) or irregularly shaped titanium particles at high temperature and pressure under inert gas Sintered formed in environment and used. These are respectively Astro Met Inc. Cincinati, OH 45215 (100-80 / 120 and 100-45 / 60; 5.5 "x 11" x 0.050 "(Cincinnati, Ohio) 140 × 1.27 mm) sheets) and Mott Corporation, Farmington, CT06032, Farmington, Connecticut (Mott Corporation, CT06032) (Mott 40 microns and Mott 20 microns). Subsequently, β-lead dioxide was electroplated as described above to obtain a titanium cloth sample.When the end plates of the electrochemistry cell were fastened together, the β-lead dioxide-coated sintered porous titanium substrate was Mechanically pressed against one side of a sample of an ion exchange polymer membrane (NAFION®), these tests were performed under the same conditions as used for the β-lead dioxide coated titanium cloth anode electrode substrate. The thickness of the porous titanium substrates is in the range of 0.040 ″ to 0.075 ″ (1.02 × 1.91 mm) and these substrates are observed to have very flat parallel surfaces. Β-lead dioxide was deposited on only one surface of the sintered porous titanium substrate to form a uniform film covering the entire surface of each substrate.

β−二酸化鉛被覆焼結多孔質チタン基板を電気化学的オゾン発生について試験した際、これら陽極基板/電解質層を内蔵する電気化学セルは、かかる電気化学セルを圧縮したままとし、外部DC電源から電極に1.0〜1.6Acm−2の印加電流密度を加えていれば、恐らく不定の時間期間に約12〜15wt%の高い濃度でオゾンを生成できることがわかった。30±3℃の温度で電気化学セルと貯蔵器との間を流れる脱イオン化水において、セル電圧が3.5〜5.5Vであることが観察された。長時間に渡り高い重量百分率のオゾンが連続的に生成されたという予測外の結果が得られたのは、焼結多孔質チタン基板の表面が平坦であったという事実に帰する。したがって、かかる表面上のβ−二酸化鉛層も平坦であり、その結果β−二酸化鉛層の露出表面領域の全てが、プロトン交換ポリマ膜の表面と接触し、電気化学的動作条件の下で、β−二酸化鉛/プロトン交換ポリマ膜海面間に3.0Vよりも高い電圧が印加された。図1に示すように、かかる状況では、β−二酸化鉛は無期限に安定するはずである。
実施例3
β−二酸化鉛被覆焼結多孔質チタン基板に、多数の印加電流密度で「オン」/「オフ」動作を行い、オゾン電流効率を徐々に低下させた。プロトン交換ポリマ膜との圧縮を連続的に維持されている被覆基板では、印加電流密度が「オン」の場合および印加電流密度が「オフ」の場合の双方において、4回電流密度を「オン」/「オフ」した際の電気化学セルに対するオゾン電流効率に対する影響により、初期状態では電流密度が14.5(14.5wt%の濃度に対応する)でオゾンが生成された。これを図17Aおよび図17Bに示す。更に観察されたのは、印加電流密度を「オン」/「オフ」することのオゾン電流効率に対する劇的な効果が、β−二酸化鉛の電気触媒負荷が低い電極では一層顕著であったことである。例えば、β−二酸化鉛負荷が5〜10mgcm−2の場合、印加電流密度を「オン」/「オフ」することによって、電気化学セルのオゾン生成能力が10〜12wt%から2wt%未満に減少した。β−二酸化鉛負荷が80mgcm−2の電極では、9回印加電流密度を「オン」/「オフ」した後、約5wt%のオゾン生成能力が観察された。
When the β-lead dioxide coated sintered porous titanium substrate was tested for electrochemical ozone generation, the electrochemical cell containing these anode substrates / electrolyte layers was left compressed and from an external DC power source. It has been found that if an applied current density of 1.0 to 1.6 Acm −2 is applied to the electrode, ozone can be generated at a high concentration of about 12 to 15 wt%, possibly in an indefinite period of time. In deionized water flowing between the electrochemical cell and the reservoir at a temperature of 30 ± 3 ° C., the cell voltage was observed to be 3.5-5.5V. The unexpected result that a high weight percentage of ozone was continuously produced over a long period of time is attributed to the fact that the surface of the sintered porous titanium substrate was flat. Thus, the β-lead dioxide layer on such a surface is also flat so that all of the exposed surface area of the β-lead dioxide layer is in contact with the surface of the proton exchange polymer membrane and under electrochemical operating conditions, A voltage higher than 3.0 V was applied between the β-lead dioxide / proton exchange polymer membrane sea level. As shown in FIG. 1, in such a situation, β-lead dioxide should stabilize indefinitely.
Example 3
On the β-lead dioxide-coated sintered porous titanium substrate, an “on” / “off” operation was performed at a large number of applied current densities to gradually decrease the ozone current efficiency. For coated substrates that are continuously maintained in compression with the proton exchange polymer membrane, the current density is "on" four times both when the applied current density is "on" and when the applied current density is "off". / Ozone was generated at a current density of 14.5 (corresponding to a concentration of 14.5 wt%) in the initial state due to the effect on the ozone current efficiency for the electrochemical cell when “off”. This is illustrated in FIGS. 17A and 17B. It was further observed that the dramatic effect on the ozone current efficiency of “on” / “off” the applied current density was more pronounced for electrodes with low β-lead dioxide electrocatalytic loading. is there. For example, when the β-lead dioxide load is 5 to 10 mg cm −2 , the ozone generation capacity of the electrochemical cell is reduced from 10 to 12 wt% to less than 2 wt% by turning on / off the applied current density. . For electrodes with a β-lead dioxide load of 80 mg cm −2 , an ozone generation capacity of about 5 wt% was observed after the applied current density was “on” / “off” nine times.

電極に電流密度を印加しない時間間隔の結果としてオゾン生成能力が低下したことは、図1に示したデータによって示唆される。この図は、低電極電位における鉛−水系では、即ち、陽極電流が電極/電解質海面を通過しない場合、Pb2+イオンが酸性環境では最も安定した種となる。電気化学セルに電流を通さずに、β−二酸化鉛被覆焼結多孔質チタン基板を酸性プロトン交換ポリマ膜と接触させたままにしておくと、β−二酸化鉛電解質層の劣化が生じ、続いて、β−二酸化鉛被覆陽極と陰極との間に電流を再度印加するときに、そのオゾン・ガスを発生する能力が損なわれる、即ち、低下する。 The decrease in ozone generation capability as a result of the time interval during which no current density is applied to the electrodes is suggested by the data shown in FIG. This figure shows that in a lead-water system at low electrode potential, that is, when the anodic current does not pass through the electrode / electrolyte sea surface, Pb 2+ ions are the most stable species in acidic environments. Leaving the β-lead dioxide coated sintered porous titanium substrate in contact with the acidic proton exchange polymer membrane without passing current through the electrochemical cell causes degradation of the β-lead dioxide electrolyte layer, followed by When the current is reapplied between the β-lead dioxide coated anode and cathode, its ability to generate ozone gas is impaired, i.e. reduced.

電界を印加しない条件の下で、即ち、電極に印加する電流密度を「オフ」にしたとき、PbO/Pb2+を伴う溶解/沈殿プロセスは、β−二酸化鉛/プロトン交換ポリマ膜界面において発生する可能性が高い。電流が「オフ」の間に電界が印加されていないと、β−二酸化鉛被覆チタン布について先に述べた状況とは異なり、Pb2+イオンが陰極の表面に向かってプロトン伝導ポリマ膜内に移動するための駆動力がない。
実施例4
実験用設定では、4つの電気化学セルを用意し、陽極および陰極間に電流が流れていない時間中に、プロトン伝導ポリマ膜とβ−二酸化鉛被覆多孔質陽極基板との接触を絶つことによって、かかる電気化学セルの著しい長寿命化がもたらされ、電流を「オフ」にした後に印加電流密度を再度電極に供給するときに高いオゾン生成率を維持する。しかしながら、この解決策が適用できるのは、焼結多孔質チタン基板の使用を伴う第2例において先
に述べたように、平坦な表面を有する多孔質陽極基板だけである。提案した解決策は、本特許出願に開示した発明の基本であり、電気触媒被覆多孔質基板および膜同士が電気化学セルの中で圧縮されているとき、プロトン交換ポリマ膜と接触するβ−二酸化鉛陽極電気触媒の層の表面積、即ち、層の表面の領域が一部分のみでしかない多孔質陽極基板の場合、有効ではない。
Under conditions no electric field is applied, i.e., when the current density applied to the electrodes to "off", dissolution / precipitation process with PbO 2 / Pb 2+ is generated in the β- lead dioxide / proton exchange polymer membrane interface There is a high possibility of doing. Unlike the situation described above for the β-lead dioxide coated titanium cloth, when the electric field is not applied while the current is “off”, Pb 2+ ions move into the proton conducting polymer membrane toward the cathode surface. There is no driving force to do.
Example 4
In an experimental setup, four electrochemical cells were prepared, and by disconnecting the proton conducting polymer membrane and the β-lead dioxide coated porous anode substrate during the time when no current was flowing between the anode and the cathode, Such electrochemical cells have a significantly longer lifetime, maintaining a high ozone production rate when the applied current density is again applied to the electrode after the current is turned “off”. However, this solution can only be applied to a porous anode substrate having a flat surface, as described above in the second example involving the use of a sintered porous titanium substrate. The proposed solution is the basis of the invention disclosed in this patent application, where the electrocatalyst-coated porous substrate and the membrane are in contact with the proton exchange polymer membrane when compressed in an electrochemical cell. It is not effective in the case of a porous anode substrate in which the surface area of the layer of the lead anode electrocatalyst, that is, the region of the surface of the layer is only a part.

有効ではない多孔質陽極基板は、厚さが比較的小さく(厚さ0.010”(0.254mm)未満)、β−二酸化鉛電気触媒材料の層を前面即ち第1面上、細い配線の周囲全体、水に達するのが容易な大孔の壁および背面即ち第2面上に有するものである。かかる多孔質基板の代表例については、第1例において先に説明しており、多孔質チタン織布の使用を伴った。他の有効でない多孔質基板は、不織布、織成または不織メッシュ、スクリーン、穿孔薄型金属シート、または孔を微細エッチングした薄型金属シートを含む。しかしながら、β−二酸化鉛電気触媒層を、プロトン交換ポリマ膜に接触する、織布または不織布、織物メッシュまたは不織メッシュ、スクリーン、穿孔薄型金属シート、あるいは孔が微細エッチングされている薄型金属シートの露出表面領域の表面、表面の分割区域または部分の領域のみに堆積し、かかるメッキ多孔質陽極基板および膜試料を電気化学セル内で圧縮状態に置いた場合、先に第2実施例において説明した焼結多孔質金属またはセラミック基板に対するかのように、提案した解決策はこれらの基板に対して有効である。   A porous anode substrate that is not effective is relatively thin (thickness less than 0.010 ″ (0.254 mm)) and a layer of β-lead dioxide electrocatalyst material on the front or first side of the thin wiring The entire periphery has large pore walls that are easy to reach water and on the back or surface 2. A representative example of such a porous substrate is described above in the first example, Other ineffective porous substrates have involved the use of titanium woven fabrics, including non-woven fabrics, woven or non-woven meshes, screens, perforated thin metal sheets, or thin metal sheets with finely etched holes. Lead dioxide electrocatalyst layer in contact with proton exchange polymer membrane, woven or non-woven, woven or non-woven mesh, screen, perforated thin metal sheet, or thin gold with finely etched holes When the plated porous anode substrate and the film sample are deposited in the compressed state in the electrochemical cell by depositing only on the surface of the exposed surface region of the metal sheet, the divided area or part of the surface, and the second embodiment, The proposed solution is valid for these substrates as if for a sintered porous metal or ceramic substrate as described in.

β−二酸化鉛被覆多孔質陽極基板を後退させ、プロトン伝導ポリマ膜との接触から絶ち、後にかかるβ−二酸化鉛被覆多孔質陽極基板を再度プロトン伝導ポリマ膜に接触させることを可能にする装置および方法は、図7にしたがって用意した。即ち、本発明の装置および方法は、電流「オフ」中に、多孔質陽極基板上のβ−二酸化鉛皮膜の露出表面領域の全てを後退させて、電気化学セルにおいてプロトン交換ポリマ膜との接触を絶つことができなければならない。同様に、本発明の装置および方法は、電流「オン」中に、電気化学セルにおいて多孔質陽刻基板上のβ−二酸化鉛皮膜の露出領域の全てを、プロトン交換ポリマ膜試料と接触するように配置できなければならない。   an apparatus that allows the β-lead dioxide coated porous anode substrate to be retracted, disconnected from contact with the proton conducting polymer membrane, and subsequently contacted again with the proton conducting polymer membrane; The method was prepared according to FIG. That is, the apparatus and method of the present invention retracts all of the exposed surface area of the β-lead dioxide film on the porous anode substrate during current “off” to contact the proton exchange polymer membrane in the electrochemical cell. Must be able to break. Similarly, the apparatus and method of the present invention ensures that all exposed areas of the β-lead dioxide coating on the porous stamped substrate in the electrochemical cell are in contact with the proton exchange polymer membrane sample during the current “on”. Must be able to place.

陰極およびPEMは固定であり、多孔質チタン陽極基板および二酸化鉛電気触媒のみが、電気的に動作するソレノイド・アクチュエータの端部に結合されている。ソレノイド・アクチュエータは、陽極基板/電気触媒を押し込み、圧縮した状態でPEMと接触させ、1対のばねが陽極基板/電気触媒を隆起させ、PEMから遠ざける。コントローラを用いて、所与の期間および動作周波数で、4つの電気機械セルの各々を制御した。電力をオフに切り換えることなく、セルの各々を動作させた。しかしながら、セルを「オフ」にする際、陽極を後退させPEM/陽極との接触を絶った。何故なら、イオン伝導性のない脱イオン水が事実上開放回路を形成するからである。セル#1を1.5分「オン」そして1.5分「オフ」のサイクルで動作させた。セル#2を、25分「オン」そして10分「オフ」のサイクルで動作させた。セル#3を、25分「オン」そして2時間「オフ」のサイクルで動作させた。セル#4を、26分「オン」そして24時間「オフ」のサイクルで動作させた。制御セルを動作させた際、陽極を後退させていた間電力をオフに切り換えたが、電力を連続的に有するセルと比較して、性能上大きな差がないことを結果が示した。   The cathode and PEM are fixed, and only the porous titanium anode substrate and lead dioxide electrocatalyst are coupled to the end of an electrically operated solenoid actuator. The solenoid actuator pushes the anode substrate / electrocatalyst into contact with the PEM in a compressed state, and a pair of springs raise the anode substrate / electrocatalyst away from the PEM. A controller was used to control each of the four electromechanical cells at a given period and operating frequency. Each of the cells was operated without switching the power off. However, when the cell was turned “off”, the anode was retracted to break contact with the PEM / anode. This is because deionized water without ionic conductivity effectively forms an open circuit. Cell # 1 was operated on a 1.5 minute “on” and 1.5 minute “off” cycle. Cell # 2 was operated on a 25 minute “on” and 10 minute “off” cycle. Cell # 3 was operated with a cycle of 25 minutes “on” and 2 hours “off”. Cell # 4 was operated on a 26 minute “on” and 24 hour “off” cycle. When operating the control cell, the power was switched off while the anode was retracted, but the results showed that there was no significant difference in performance compared to the cell with continuous power.

4つの電気化学セルの各々によって生成されるオゾン・ガスの濃度を測定する際、オーシャンオプティクス(Ocean Optics)UV吸収システムおよびソフトウエアを用いて、セル周囲の脱イオン化水に溶解したオゾンによるUV光の吸収を監視した。図15A〜図15Dは、セル1〜4に対して多数回の動作サイクルを実行した後に周期的に測定した吸光度をそれぞれ示す。各図の符号は、溶解オゾン濃度を試験した動作サイクル数を示す。試験毎に、図は約1500秒の期間、秒単位の時間の関数として、百分率吸光度をプロットした。図15A〜図15Dにおける各チャートは、セル1〜4において、それぞれ、62218回、63468回、4826回、および1412回の動作サイクルに
も拘わらず、オゾン生成において発生した下落は非常に少ないことを示す。
実施例5
図8にしたがって電気化学セルを用意し、電極間の圧縮を約10psi〜約260psi(69〜1792kN/m)間で変化させた際のセル電圧を測定した。図16は、電気化学セルに対して、psi単位の圧力の関数として得られたセル電圧のグラフである。このグラフは、圧力を約50psi(345kN/m)に上げるとセル電圧が急激に下落することを示す。約50psi(345kN/m)の圧力では、更に圧力を高めてもセル電圧の下落は非常に少なかった。
When measuring the concentration of ozone gas produced by each of the four electrochemical cells, UV light from ozone dissolved in deionized water around the cell was used using an Ocean Optics UV absorption system and software. The absorption of was monitored. FIGS. 15A-15D show the absorbance measured periodically after a number of operating cycles have been performed on cells 1-4. The sign in each figure indicates the number of operating cycles in which the dissolved ozone concentration was tested. For each test, the figure plots the percentage absorbance as a function of time in seconds over a period of about 1500 seconds. The charts in FIGS. 15A to 15D show that in cells 1 to 4, despite the operation cycle of 62218 times, 63468 times, 4826 times, and 1412 times, the drop that occurred in ozone generation is very small. Show.
Example 5
An electrochemical cell was prepared according to FIG. 8, and the cell voltage when the compression between the electrodes was changed between about 10 psi to about 260 psi (69 to 1792 kN / m 2 ) was measured. FIG. 16 is a graph of cell voltage obtained as a function of pressure in psi for an electrochemical cell. This graph shows that the cell voltage drops sharply when the pressure is increased to about 50 psi (345 kN / m 2 ). At a pressure of about 50 psi (345 kN / m 2 ), the cell voltage dropped very little even if the pressure was further increased.

前述の説明は、本発明の好適な実施形態を対象とするが、本発明のその他の実施形態も、その基本的な範囲から逸脱することなく、考案可能であり、その範囲は特許請求の範囲によって決定されることとする。   While the foregoing description is directed to preferred embodiments of the invention, other embodiments of the invention may be devised without departing from the basic scope thereof, the scope of which is claimed. It shall be determined by

25℃における鉛−水系の電位−pH平衡図。The potential-pH equilibrium diagram of lead-water system at 25 ° C. 電極を圧縮してイオン交換膜と接触するように配置可能な単一の電気化学セル。A single electrochemical cell that can be placed in contact with the ion exchange membrane by compressing the electrode. 圧縮がないときにイオン交換膜から電極を後退させる波形ばねを有する、別のの単一電気化学セル。Another single electrochemical cell having a wave spring that retracts the electrode from the ion exchange membrane in the absence of compression. 図3の2つのセルの間にバイポーラ板を有する電気化学セル・スタック。4 is an electrochemical cell stack having a bipolar plate between the two cells of FIG. 陰極を共通とした2つのセルを有する電気化学セル・スタック。An electrochemical cell stack having two cells with a common cathode. プッシュ・ロッドに結合した陽極を有し、戻りばねを有する電気ソレノイド・アクチュエータがプッシュ・ロッドの位置決めを制御する、電気化学セルの概略側面図。FIG. 3 is a schematic side view of an electrochemical cell having an anode coupled to a push rod and an electrosolenoid actuator having a return spring to control the positioning of the push rod. 別個の脱イオン水貯蔵器を有する図5Aの電気化学セルの概略側面図。FIG. 5B is a schematic side view of the electrochemical cell of FIG. 5A with a separate deionized water reservoir. 電極を液体電解質との接触から引っ込めるように構成された図5Bの電気化学セルの概略側面図。FIG. 5B is a schematic side view of the electrochemical cell of FIG. 5B configured to retract the electrode from contact with the liquid electrolyte. 電解質と接触するように電極を作動即ち配置することができる手段の一例であり、ばねを引っ込めた電気ソレノイドを含む手段を示す図。FIG. 3 is an example of a means by which an electrode can be actuated or placed in contact with an electrolyte, showing a means including an electrical solenoid with a spring retracted. 電解質と接触するように電極を作動即ち配置することができる手段の一例であり、ばねを引っ込めたカムを含む手段を示す図。FIG. 4 is an example of a means by which an electrode can be actuated or placed in contact with an electrolyte, showing a means including a cam with a retracted spring. 電解質と接触するように電極を作動即ち配置することができる手段の一例であり、油圧または空気式アクチュエータを含む手段を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an example of a means that can actuate or place an electrode in contact with an electrolyte, including a hydraulic or pneumatic actuator. 電解質と接触するように電極を作動即ち配置することができる手段の一例であり、リード・スクリューを含む手段を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a means including a lead screw, which is an example of a means by which an electrode can be actuated or placed in contact with an electrolyte. 電解質と接触するように電極を作動即ち配置することができる手段の一例であり、ラックおよびピニオンを含む手段を示す図。FIG. 4 is an example of a means by which an electrode can be actuated or placed in contact with an electrolyte, showing a means including a rack and a pinion. 電解質と接触するように電極を作動即ち配置することができる手段の一例であり、圧電アクチュエータを示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating a piezoelectric actuator, which is an example of a means by which an electrode can be actuated or placed in contact with an electrolyte. 電気の印加中プッシュ・ロッドを締着して電極をPEMに接触固着する手段の一例を示す図。The figure which shows an example of a means which fastens a push rod during application of electricity, and contacts and fixes an electrode to PEM. 電気の印加中プッシュ・ロッドを締着して電極をPEMに接触固着する手段の一例を示す図。The figure which shows an example of a means which fastens a push rod during application of electricity, and contacts and fixes an electrode to PEM. 可調節負荷と、セル動作を、電極およびPEM間の圧縮力の関数として関しするロード・セルとを有する実験的電気化学セルの設定の概略側面図。FIG. 4 is a schematic side view of an experimental electrochemical cell setup with an adjustable load and a load cell that relates cell operation as a function of compressive force between the electrode and the PEM. 水貯蔵器と、プッシュ・ロッドの封止移動を可能にするダイアフラムとを有する電気化学装置の概略側面図。1 is a schematic side view of an electrochemical device having a water reservoir and a diaphragm that allows sealing movement of the push rod. FIG. 油圧作動式陽極を有する、代わりの電気化学装置の概略側面図。FIG. 3 is a schematic side view of an alternative electrochemical device having a hydraulically actuated anode. 図10Aに準ずる2つの電気化学セル/装置であり、共通陰極をその間に有する装置の概略側面図。FIG. 10B is a schematic side view of an apparatus according to FIG. 10A that has two electrochemical cells / apparatus with a common cathode therebetween. プロセス水貯蔵器と、プロセス水を電気化学セルおよび一体型油圧アクチュエータに供出するポンプとを有する、代わりの電気化学装置の概略側面図。FIG. 4 is a schematic side view of an alternative electrochemical device having a process water reservoir and a pump that delivers process water to an electrochemical cell and an integrated hydraulic actuator. 炭素フィルタおよび脱イオン・ベッドをポンプの入口に移設した、図11の電気化学装置の概略側面図。FIG. 12 is a schematic side view of the electrochemical device of FIG. 11 with a carbon filter and deionization bed transferred to the pump inlet. ベッドが費やされた程度を示す色変化を表示するように構成された脱イオン・ベッドの概略図。FIG. 3 is a schematic diagram of a deionized bed configured to display a color change indicating how much the bed has been spent. ベッドが費やされた程度を示す色変化を表示するように構成された脱イオン・ベッドの概略図。FIG. 3 is a schematic diagram of a deionized bed configured to display a color change indicating how much the bed has been spent. ベッドが費やされた程度を示す色変化を表示するように構成された脱イオン・ベッドの概略図。FIG. 3 is a schematic diagram of a deionized bed configured to display a color change indicating how much the bed has been spent. 陽極と流体連通した別個の脱イオン水貯蔵器を有する電気化学装置の概略側面図。1 is a schematic side view of an electrochemical device having a separate deionized water reservoir in fluid communication with an anode. FIG. 図7にしたがって構築し、多数の繰り返しサイクルにわたって動作させた電気化学セルについて、秒単位の時間を関数とした吸光度のグラフ。FIG. 8 is a graph of absorbance as a function of time in seconds for an electrochemical cell constructed according to FIG. 7 and operated over a number of repeated cycles. 図7にしたがって構築し、多数の繰り返しサイクルにわたって動作させた電気化学セルについて、秒単位の時間を関数とした吸光度のグラフ。FIG. 8 is a graph of absorbance as a function of time in seconds for an electrochemical cell constructed according to FIG. 7 and operated over a number of repeated cycles. 図7にしたがって構築し、多数の繰り返しサイクルにわたって動作させた電気化学セルについて、秒単位の時間の関数としての吸光度のグラフ。FIG. 8 is a graph of absorbance as a function of time in seconds for an electrochemical cell constructed according to FIG. 7 and operated over a number of repeated cycles. 図7にしたがって構築し、多数の繰り返しサイクルにわたって動作させた電気化学セルについて、秒単位の時間を関数とした吸光度のグラフ。FIG. 8 is a graph of absorbance as a function of time in seconds for an electrochemical cell constructed according to FIG. 7 and operated over a number of repeated cycles. 図8の電気化学セルについて、psi単位の圧力の関数としてのセル電圧のグラフ。9 is a graph of cell voltage as a function of pressure in psi for the electrochemical cell of FIG. オゾン発生器を循環的に温およびオフする期間の関数としての、百分率で表したオゾン電流効率のグラフ。A graph of the ozone current efficiency in percentage as a function of the period during which the ozone generator is cyclically warmed and turned off. オゾン発生器を循環的に温およびオフする期間の関数としての、百分率で表したオゾン電流効率のグラフ。A graph of the ozone current efficiency in percentage as a function of the period during which the ozone generator is cyclically warmed and turned off. シャフトに結合された後退可能電極であって、電極面における電流分散および収集を改良するために変更した電極の図。FIG. 5 is a diagram of a retractable electrode coupled to a shaft, modified to improve current distribution and collection at the electrode surface. シャフトに結合された後退可能電極であって、電極面における電流分散および収集を改良するために変更した電極の図。FIG. 5 is a diagram of a retractable electrode coupled to a shaft, modified to improve current distribution and collection at the electrode surface. シャフトに結合された後退可能電極であって、電極面における電流分散および収集を改良するために変更した電極の図。FIG. 5 is a diagram of a retractable electrode coupled to a shaft, modified to improve current distribution and collection at the electrode surface.

Claims (20)

陰極電極と、陽極電極と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に配置された酸性電解質と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に電圧を印加する電源とを含む電気化学セルであって、前記陽極電極が、前記酸性電解質に面する二酸化鉛電気触媒の層と、1つ以上の所定の待機状態に応答して前記陽極電極を、前記二酸化鉛電気触媒が前記電解質と接触する初期位置から、前記二酸化鉛電気触媒が前記電解質から離間される後退位置に後退させる後退機構とを有し、前記電気化学セルは、1つ以上の生成条件に応答して前記陽極電極を前記後退位置から初期位置に移動させて戻すアクチュエータをさらに備え、前記後退機構は、前記陽極電極を前記電解質から離れるように偏倚させる受動デバイスによって構成され、前記アクチュエータは、電源からの電力に基づいて、前記受動デバイスの偏倚作用に打ち勝って、前記陽極電極を移動させて前記電解質と接触させるように作動可能である能動機構によって構成されることを特徴とする電気化学セル。An electrochemical cell comprising: a cathode electrode; an anode electrode; an acidic electrolyte disposed between the anode electrode and the cathode electrode; and a power source that applies a voltage between the anode electrode and the cathode electrode. The anode electrode is in contact with the acid electrolyte and the anode electrode in response to one or more predetermined standby states; the lead dioxide electrocatalyst is in contact with the electrolyte; from the position, possess a retraction mechanism for retracting a retracted position where the lead dioxide electrocatalyst is separated from the electrolyte, the electrochemical cell, the retracted position the anode electrode in response to one or more production conditions Further comprising an actuator that is moved back to an initial position and the retracting mechanism is constituted by a passive device that biases the anode electrode away from the electrolyte, Based on the power from the overcoming the biasing action of the passive device, an electrochemical cell, characterized in that constituted by the active mechanism is operable to contact with the electrolyte by moving the anode electrode. 請求項1記載のセルにおいて、前記二酸化鉛電気触媒が、β−二酸化鉛、α−二酸化鉛、またはそれらの組み合わせである、セル。The cell according to claim 1, wherein the lead dioxide electrocatalyst is β-lead dioxide, α-lead dioxide, or a combination thereof. 請求項1記載のセルにおいて、前記酸性電解質がプロトン交換膜である、セル。The cell according to claim 1, wherein the acidic electrolyte is a proton exchange membrane. 請求項1記載のセルにおいて、前記酸性電解質が、溶解無機酸、溶解有機酸、またはその混合物の水溶液である、セル。The cell according to claim 1, wherein the acidic electrolyte is an aqueous solution of a dissolved inorganic acid, a dissolved organic acid, or a mixture thereof. 請求項1記載のセルにおいて、前記1つ以上の待機状態が、The cell of claim 1, wherein the one or more standby states are:
前記陽極電極と陰極電極との間に印加される電圧が1ボルト未満であることと、前記セルの動作時間期間が満了したことと、オゾン濃度が前記セル内の設定オゾン濃度よりも高いことと、陽極酸素/オゾン発生反応が起こっていないことと、およびセルに電流が流れていないこととから選択される、セル。The voltage applied between the anode electrode and the cathode electrode is less than 1 volt, the operation time period of the cell has expired, and the ozone concentration is higher than the set ozone concentration in the cell. A cell selected from the absence of an anodic oxygen / ozone generation reaction and no current flowing through the cell.
請求項3記載のセルにおいて、前記1つ以上の待機状態は、前記陽極電極の前記プロトン交換膜との接触圧力が10psig(69kN/m4. The cell of claim 3, wherein the one or more standby states are such that the contact pressure of the anode electrode with the proton exchange membrane is 10 psig (69 kN / m 2 )未満であることを含む、セル。) A cell that contains less than. 請求項1記載のセルにおいて、前記1つ以上の生成状態が、The cell of claim 1, wherein the one or more generation states are:
前記第1電極と第2電極との間に印加される電圧が1ボルトより高いことと、前記セルの動作の終了からある時間期間が満了したことと、オゾン濃度が前記セル内の設定オゾン濃度よりも低いこととから選択される、セル。The voltage applied between the first electrode and the second electrode is higher than 1 volt, a certain period of time has expired from the end of the operation of the cell, and the ozone concentration is the set ozone concentration in the cell. A cell that is selected from being lower than.
請求項3記載のセルであって、前記生成条件は、前記陽極電極の前記電解質との接触圧力が10psig(69kN/mThe cell according to claim 3, wherein the generation condition is that a contact pressure of the anode electrode with the electrolyte is 10 psig (69 kN / m). 2 )を超過することを含む、セル。), Including exceeding. 請求項1記載のセルにおいて、前記能動機構が前記電源から電力を受け、前記電源が前記陽極電極と前記陰極電極との間に電圧を印加するように接続されたときに、前記電源が前記能動機構に電力を供給する、セル。2. The cell according to claim 1, wherein the active mechanism receives power from the power source, and the power source is connected to the active power source when the power source is connected to apply a voltage between the anode electrode and the cathode electrode. A cell that supplies power to the mechanism. 請求項1記載のセルにおいて、前記二酸化鉛電気触媒が、そのβ−二酸化鉛結晶形態を保持する、セル。The cell of claim 1, wherein the lead dioxide electrocatalyst retains its β-lead dioxide crystal form. 陰極電極と、陽極電極と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に配置された酸性電解質と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に結合された電圧源とを有する電気化学セルにおいてオゾンを発生する方法であって、前記陽極電極は、該陽極電極を前記電解質から離れるように偏倚させる受動デバイスによって構成される後退機構を備え、前記電気化学セルは、電源からの電力に基づいて、前記受動デバイスの偏倚作用に打ち勝って、前記陽極電極を移動させて前記電解質と接触させるように作動可能である能動機構によって構成されるアクチュエータを更に備え、該方法は、前記陽極電極と前記陰極電極との間に電圧を印加するステップを含み、更に、最初に、前記能動機構によって、前記陽極電極を該陽極電極が電解質から離間される後退位置から、該陽極電極が前記電解質と接触する動作位置に能動的に移動させ、前記陽極の前記電解質との係合の前またはそれと同時に前記電圧源をオンにするステップを含み、前記方法は、前記電圧源をオフにする直前またはそれと同時に、前記受動デバイスの作用によって前記陽極電極を受動的に後退させて、前記酸性電解質との接触を絶つステップを更に含むことを特徴とする方法。Ozone in an electrochemical cell having a cathode electrode, an anode electrode, an acidic electrolyte disposed between the anode electrode and the cathode electrode, and a voltage source coupled between the anode electrode and the cathode electrode Wherein the anode electrode comprises a retraction mechanism constituted by a passive device that biases the anode electrode away from the electrolyte, and the electrochemical cell is based on power from a power source, And further comprising an actuator constituted by an active mechanism operable to overcome the biasing action of the passive device to move the anode electrode into contact with the electrolyte, the method comprising the anode electrode and the cathode electrode And applying a voltage between the active electrode and the active mechanism to retract the anode electrode away from the electrolyte. Actively moving the anode electrode to an operating position in contact with the electrolyte and turning on the voltage source prior to or simultaneously with engagement of the anode with the electrolyte, the method comprising: The method further comprising the step of passively retracting the anode electrode by the action of the passive device to break contact with the acidic electrolyte immediately before or simultaneously with turning off the voltage source. 請求項11記載の方法において、前記陽極電極を後退させ前記酸性電解質との接触を絶つステップは、1つ以上の所定の待機条件の感知に応答して行われる、方法。12. The method of claim 11, wherein the step of retracting the anode electrode and disconnecting from the acidic electrolyte is performed in response to sensing one or more predetermined standby conditions. 請求項12記載の方法において、前記1つ以上の待機条件が、The method of claim 12, wherein the one or more waiting conditions are:
前記陽極電極と陰極電極との間に印加される電圧が1ボルト未満であることと、前記セルの動作時間期間が満了したことと、オゾン濃度が前記セル内の設定オゾン濃度よりも高いことと、陽極酸素/オゾン発生反応が起こっていないことと、セルに電流が流れていないこととから選択される、方法。  The voltage applied between the anode electrode and the cathode electrode is less than 1 volt, the operation time period of the cell has expired, and the ozone concentration is higher than the set ozone concentration in the cell. A method selected from the fact that no anodic oxygen / ozone generation reaction has occurred and no current is flowing through the cell.
請求項11記載の方法において、前記酸性電解質がプロトン交換膜であり、前記1つ以上の待機条件が、前記陽極電極の前記プロトン交換膜との接触圧力が10psig(69kN/m12. The method of claim 11, wherein the acidic electrolyte is a proton exchange membrane and the one or more standby conditions are such that the contact pressure of the anode electrode with the proton exchange membrane is 10 psig (69 kN / m 2 )未満であることを含む、方法。A method comprising: 請求項11乃至14のいずれか1項に記載の方法において、前記陽極電極の前記電解質との接触係合が、1つ以上の生成条件の感知に応答して行われる、方法。15. The method according to any one of claims 11 to 14, wherein the contact engagement of the anode electrode with the electrolyte is performed in response to sensing one or more production conditions. 請求項15記載の方法において、前記1つ以上の生成条件が、16. The method of claim 15, wherein the one or more generation conditions are:
前記陽極電極と陰極電極との間に印加される電圧が1ボルトより高いことと、前記セルの動作の終了からある時間期間が満了したことと、オゾン濃度が前記セル内の設定オゾン濃度よりも低いこととから選択される、方法。  The voltage applied between the anode electrode and the cathode electrode is higher than 1 volt, a certain period of time has expired from the end of the operation of the cell, and the ozone concentration is lower than the set ozone concentration in the cell. A method selected from being low.
陰極電極と、陽極電極と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に配置された酸性電解質と、前記陽極電極と前記陰極電極との間に電圧を印加する電源とを含む電気化学セルであって、前記装置が、更に、前記陽極電極を前記電解質から離れるように偏倚させる受動機構と、前記電源からの電力に基づいて、前記受動機構の偏倚作用に打ち勝って、前記陽極電極を移動させて前記電解質と接触させるように作動可能である能動機構とを備えていることを特徴とする電気化学セル。An electrochemical cell comprising: a cathode electrode; an anode electrode; an acidic electrolyte disposed between the anode electrode and the cathode electrode; and a power source that applies a voltage between the anode electrode and the cathode electrode. The device further moves the anode electrode overcoming the biasing action of the passive mechanism based on the passive mechanism that biases the anode electrode away from the electrolyte and the power from the power source. An electrochemical cell comprising an active mechanism operable to contact the electrolyte. 請求項17記載の電気化学セルにおいて、前記電源が接続されて前記電極間に電圧を印加する場合に、前記能動機構が作動されるように適合されている、電気化学セル。18. An electrochemical cell according to claim 17, wherein the active mechanism is adapted to be activated when the power source is connected and a voltage is applied between the electrodes. 請求項17または18に記載の電気化学セルにおいて、前記受動デバイスが、前記陽極電極を後退させ、前記電解質との接触を絶ち、前記セルを組み込んだ回路を遮断することによって、前記セルを待機状態にすることを特徴とする電気化学セル。19. The electrochemical cell according to claim 17 or 18, wherein the passive device retracts the anode electrode, breaks contact with the electrolyte, and shuts off the circuit incorporating the cell, thereby waiting the cell. An electrochemical cell characterized in that. 請求項17乃至19のいずれか1項に記載の電気化学セルにおいて、前記受動デバイスが、一つ以上の所定の待機条件の感知に応答して、前記陽極電極を後退させ、前記電解質との接触を絶つことを特徴とする、電気化学セル。20. The electrochemical cell according to any one of claims 17 to 19, wherein the passive device retracts the anode electrode in contact with the electrolyte in response to sensing one or more predetermined standby conditions. An electrochemical cell characterized by cutting off.
JP2002550142A 2000-12-12 2001-12-12 Electrochemical device with retractable electrode Expired - Lifetime JP3986962B2 (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US25482000P 2000-12-12 2000-12-12
US26110101P 2001-01-10 2001-01-10
US26153401P 2001-01-12 2001-01-12
US31756201P 2001-09-05 2001-09-05
PCT/US2001/048346 WO2002048431A2 (en) 2000-12-12 2001-12-12 Electrochemical apparatus with retractable electrode

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2004525255A JP2004525255A (en) 2004-08-19
JP2004525255A5 JP2004525255A5 (en) 2007-02-08
JP3986962B2 true JP3986962B2 (en) 2007-10-03

Family

ID=27500524

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002550142A Expired - Lifetime JP3986962B2 (en) 2000-12-12 2001-12-12 Electrochemical device with retractable electrode

Country Status (8)

Country Link
EP (1) EP1343923B1 (en)
JP (1) JP3986962B2 (en)
KR (1) KR100644917B1 (en)
AT (1) ATE289634T1 (en)
AU (1) AU2002230846A1 (en)
DE (1) DE60109058T2 (en)
ES (1) ES2238498T3 (en)
WO (1) WO2002048431A2 (en)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7608350B2 (en) 2003-04-17 2009-10-27 Lynntech, Inc. Preparation and storage of membrane and electrode assemblies
DE102004015680A1 (en) * 2004-03-26 2005-11-03 Condias Gmbh Electrode arrangement for electrochemical treatment of low conductivity liquids
KR101390167B1 (en) * 2011-09-20 2014-04-30 한양대학교 에리카산학협력단 Inverse-deeping device and surface treatment method using the device
US9010361B2 (en) 2011-10-27 2015-04-21 Pentair Residential Filtration, Llc Control valve assembly
US8961770B2 (en) 2011-10-27 2015-02-24 Pentair Residential Filtration, Llc Controller and method of operation of a capacitive deionization system
US9695070B2 (en) 2011-10-27 2017-07-04 Pentair Residential Filtration, Llc Regeneration of a capacitive deionization system
US8671985B2 (en) 2011-10-27 2014-03-18 Pentair Residential Filtration, Llc Control valve assembly
US9637397B2 (en) 2011-10-27 2017-05-02 Pentair Residential Filtration, Llc Ion removal using a capacitive deionization system
WO2013142206A1 (en) 2012-03-21 2013-09-26 P2 Science, Inc. Guerbet alcohols and methods for preparing and using same
EP2874989B1 (en) * 2012-07-19 2019-09-11 P2 Science, Inc. Ozonolysis operations for generation of reduced and oxidized product streams
JP5897496B2 (en) * 2013-04-02 2016-03-30 アクアエコス株式会社 Ozone water production apparatus, ozone water production method, sterilization method, and wastewater / waste liquid treatment method
EP3094615A4 (en) 2014-01-13 2017-11-08 P2 Science, Inc. Terpene-derived acids and esters and methods for preparing and using same
JP6687547B2 (en) 2014-06-20 2020-04-22 ピー2 サイエンス,インコーポレイティド Membrane ozonolysis in tubular or multitubular reactors
GB2545185A (en) * 2015-12-08 2017-06-14 Infogauge Ltd Electrochemical cell
JP7028457B2 (en) 2016-06-21 2022-03-02 ピー2・サイエンス・インコーポレイテッド Flow-through reactor for continuous quenching of peroxide mixture and method including it
WO2018053289A1 (en) 2016-09-16 2018-03-22 P2 Science, Inc. Uses of vanadium to oxidize aldehydes and ozonides
CN112481642A (en) * 2020-11-12 2021-03-12 江西强盛科技有限公司 PEM low-pressure hydrolysis ozone preparation equipment capable of improving efficiency and purity
CN113883894A (en) * 2021-08-31 2022-01-04 郑州明恩新材料科技有限公司 Roasting device and roasting method for producing high-purity graphite powder
CN113862690B (en) * 2021-11-30 2022-11-29 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室) Water electrolysis hydrogen production device based on bipolar electrode system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0676672B2 (en) * 1989-11-14 1994-09-28 株式会社オーディーエス Electrolytic ozone water production equipment
JP3183574B2 (en) * 1992-09-01 2001-07-09 ペルメレック電極株式会社 How to save the electrode structure
JPH11172482A (en) * 1997-12-10 1999-06-29 Shinko Plant Kensetsu Kk Ozonized water producing device and production of ozonized water with the device

Also Published As

Publication number Publication date
AU2002230846A1 (en) 2002-06-24
WO2002048431A3 (en) 2003-07-17
KR20030079931A (en) 2003-10-10
EP1343923A2 (en) 2003-09-17
ES2238498T3 (en) 2005-09-01
DE60109058D1 (en) 2005-03-31
EP1343923B1 (en) 2005-02-23
DE60109058T2 (en) 2006-03-02
ATE289634T1 (en) 2005-03-15
KR100644917B1 (en) 2006-11-10
JP2004525255A (en) 2004-08-19
WO2002048431A2 (en) 2002-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7449090B2 (en) Electrochemical apparatus with retractable electrode
JP3986962B2 (en) Electrochemical device with retractable electrode
US6149810A (en) Membrane with supported internal passages
US5916505A (en) Process of making a membrane with internal passages
JP6133850B2 (en) Efficient treatment of wastewater using electrochemical cells
KR20210131999A (en) Electrolyzer and how to use it
US20140202875A1 (en) Electrolyser and assembly comprising same, in particular for the production of h2 and o2
JP2007242433A (en) Electrode catalyst for electrochemical reaction, manufacturing method of the same, and electrochemical electrode having the same
JP6758628B2 (en) Organic hydride manufacturing equipment and organic hydride manufacturing method
JP2004525255A5 (en)
JPH07278864A (en) Gas diffusion electrode
WO2018037774A1 (en) Cathode, electrolysis cell for producing organic hydride, and organic hydride production method
RU2733378C1 (en) Device for production of organic hydride
KR20190106784A (en) Electrochemical Oxygen Generator
KR20200052752A (en) Long Life Membrane Electrode Assembly and the Electrochemical Cell using Membrane Electrode Assembly
JP3553781B2 (en) Electrolysis method using gas diffusion cathode
JPH11172484A (en) Gas diffusion electrode structural body and its production
EP4060087B1 (en) Carbon dioxide electrolysis device
US20240060195A1 (en) Apparatus and method for producing hydrogen peroxide
TW202332111A (en) Construction of an electrochemical cell
JP2007123049A (en) Electrode catalyst carrier, manufacturing method of electrode catalyst carrier, manufacturing device of electrode catalyst carrier, membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell
JP3906923B2 (en) Method for activating gas diffusion electrode
CA3228670A1 (en) Apparatus and method for producing hydrogen peroxide
KR20200052756A (en) Water Electrolysis System Having High Safety System
KR20200052757A (en) Electrochemical Stack

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20041105

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060608

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060620

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20060920

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20060927

A524 Written submission of copy of amendment under article 19 pct

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A524

Effective date: 20061218

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20070612

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070711

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100720

Year of fee payment: 3